可用于皮肤烧伤修复的基于视觉引导的原位打印系统

2022 年 01 月 10 日

       治疗大面积的皮肤烧伤的治疗一直以来是一个难题,目前的烧伤处皮肤修复主要有两种治疗方案,其一是自体皮肤移植,这种治疗方案只能修复小面积的皮肤烧伤,对于大面积的皮肤烧伤则不适用,同时这种治疗方案的时效性较差,需要等待字体皮肤的培养,第二种方案是细胞疗法,即将细胞喷洒在损伤处进行皮肤修复,但是这种方案无法控制精度、制造结构复杂的组织。
       史蒂文斯理工学院机械工程系Houzhu Ding博士团队研制出了一种基于视觉引导的原位打印系统,可以检测烧伤伤口、进行打印喷头的路径规划,从而打印出伤口覆盖物对烧伤处的皮肤进行修复。相关成果“Simulating image-guided in situ bioprinting of a skin graft onto a phantom burn wound bed”发表于Additive Manufacturing上。
        这种基于视觉引导的原位打印系统由传统的3D打印机、3ml的打印头、温度传感器以及摄像头所组成,在实际工作中利用摄像头获取伤口的几何形状以及位置,然后将获取的伤口形状位置发送给打印机的控制器,通过路径规划算法可以打印出特定形状的伤口覆盖物(图1)。


图1 原位打印系统
图2 伤口检测算法
       在本项研究中,为了可以获得伤口位置形状和大小,作者首先将图像的颜色空间由RGB色彩空降转换到了HSV色彩空间,然后通过设定阈值将图片的转换为二值图,随后采用边缘检测算法对图像伤口边缘检测得到其几何形状,最后通过图像腐蚀和膨胀操作获得更清楚的伤口边缘。为了使3D打印机,知道伤口的位置,将伤口的像素坐标转为3D打印机所在的坐标。
图3 路径规划算法

       在本项研究中使用的路径规划算法如下,(1)从一个由多边形表示的二维轮廓开始。(2) 闭合曲线中的关键点被按规定的方向(顺时针或逆时针)依次排序。然后用排序后的点生成一个二维多边形来定义轮廓边缘。(3) 在二维多边形内组成轨迹,并以均匀的间隙平行于X轴,构成有序路径,从而实现对轮廓的加工。(4) 获得平行路径和二维轮廓的交点,并按规定顺序排列。(5) 交点作为关键连接点。根据这些连接点,以预定的顺序连接每个点,作为打印路径给3D打印机进行打印。

图4 实际打印效果

      如图4所示为其打印系统在烧伤模型上直接打印水凝胶丝。烧伤模型被放置在打印机平台上,生物墨水通过实施由路径规划算法生成的连续路径直接沉积到伤口区域。总细胞数为2×10^6的被均匀地分散在5层组织中。该网状结构的特点是丝线之间有2毫米的间隔,形成一个多孔的结构,这使得营养物质和氧气的输送能够维持细胞的生长。
       对大面积和深层皮肤伤口的治疗是一个具有挑战性的问题,原位3D生物打印有可能大大减少愈合时间,改善结构和功能。本文提出的原位打印方法是一种很有前途的技术。

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