可用于皮膚燒傷修復的基于視覺引導的原位打印系統(tǒng)

來源： EngineeringForLife  

治療大面積的皮膚燒傷的治療一直以來是一個難題，目前的燒傷處皮膚修復主要有兩種治療方案，其一是自體皮膚移植，這種治療方案只能修復小面積的皮膚燒傷，對于大面積的皮膚燒傷則不適用，同時這種治療方案的時效性較差，需要等待字體皮膚的培養(yǎng)，第二種方案是細胞療法，即將細胞噴灑在損傷處進行皮膚修復，但是這種方案無法控制精度、制造結構復雜的組織。
史蒂文斯理工學院機械工程系Houzhu Ding博士團隊研制出了一種基于視覺引導的原位打印系統(tǒng)，可以檢測燒傷傷口、進行打印噴頭的路徑規(guī)劃，從而打印出傷口覆蓋物對燒傷處的皮膚進行修復。相關成果“Simulating image-guided in situ bioprinting of a skin graft onto a phantom burn wound bed”發(fā)表于Additive Manufacturing上。

這種基于視覺引導的原位打印系統(tǒng)由傳統(tǒng)的3D打印機、3ml的打印頭、溫度傳感器以及攝像頭所組成，在實際工作中利用攝像頭獲取傷口的幾何形狀以及位置，然后將獲取的傷口形狀位置發(fā)送給打印機的控制器，通過路徑規(guī)劃算法可以打印出特定形狀的傷口覆蓋物（圖1）。

圖1 原位打印系統(tǒng)

圖2 傷口檢測算法

在本項研究中，為了可以獲得傷口位置形狀和大小，作者首先將圖像的顏色空間由RGB色彩空降轉換到了HSV色彩空間，然后通過設定閾值將圖片的轉換為二值圖，隨后采用邊緣檢測算法對圖像傷口邊緣檢測得到其幾何形狀，最后通過圖像腐蝕和膨脹操作獲得更清楚的傷口邊緣。為了使3D打印機，知道傷口的位置，將傷口的像素坐標轉為3D打印機所在的坐標。

圖3 路徑規(guī)劃算法

在本項研究中使用的路徑規(guī)劃算法如下，(1)從一個由多邊形表示的二維輪廓開始。(2) 閉合曲線中的關鍵點被按規(guī)定的方向（順時針或逆時針）依次排序。然后用排序后的點生成一個二維多邊形來定義輪廓邊緣。(3) 在二維多邊形內組成軌跡，并以均勻的間隙平行于X軸，構成有序路徑，從而實現對輪廓的加工。(4) 獲得平行路徑和二維輪廓的交點，并按規(guī)定順序排列。(5) 交點作為關鍵連接點。根據這些連接點，以預定的順序連接每個點，作為打印路徑給3D打印機進行打印。

圖4 實際打印效果

如圖4所示為其打印系統(tǒng)在燒傷模型上直接打印水凝膠絲。燒傷模型被放置在打印機平臺上，生物墨水通過實施由路徑規(guī)劃算法生成的連續(xù)路徑直接沉積到傷口區(qū)域�？偧毎麛禐�2×10^6的被均勻地分散在5層組織中。該網狀結構的特點是絲線之間有2毫米的間隔，形成一個多孔的結構，這使得營養(yǎng)物質和氧氣的輸送能夠維持細胞的生長。

對大面積和深層皮膚傷口的治療是一個具有挑戰(zhàn)性的問題，原位3D生物打印有可能大大減少愈合時間，改善結構和功能。本文提出的原位打印方法是一種很有前途的技術。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.06.022