3D打印生物醫(yī)學(xué)傳感器的方法

來(lái)源：廣西增材制造協(xié)會(huì)

據(jù)悉，來(lái)自中國(guó)和印度的研究人員齊聚一堂,，共同審查當(dāng)前3D打印的傳感器場(chǎng)景,，包括所使用的技術(shù)以及受影響的應(yīng)用和行業(yè)。最近在“用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的3D打印傳感器回顧”中發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn),。雖然傳感器的制造繼續(xù)發(fā)展,，但障礙已經(jīng)普及，并且在許多方面阻礙了傳感器制造在許多應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)其真正潛力,。正如作者所指出的那樣,，傳感器就在我們身邊，但由于制造成本,，材料方面的挑戰(zhàn)（例如硅,，在低頻下也存在問(wèn)題）以及溫度問(wèn)題，傳感器很多,。更重要的是,，大多數(shù)傳感器不具有生物相容性，因此在醫(yī)療領(lǐng)域取得了進(jìn)展,。

隨著3D打印的出現(xiàn),，傳感器可以設(shè)計(jì)成更加簡(jiǎn)化和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的流程，減少生產(chǎn)步驟,，減少人工所需的工時(shí),，從而創(chuàng)建可以數(shù)字化生成的精確原型。 3D打印傳感器通常更強(qiáng)大,，更耐用,，并且已經(jīng)顯示出監(jiān)測(cè)血壓和心率,，呼吸，溫度,，大腦活動(dòng)等的前景,。

（A）熔融沉積建模（B）立體光刻（C）多噴射工藝（D）選擇性激光燒結(jié)（E）3D噴墨打印（F）數(shù)字光處理,。

目前,，已成功使用以下流程制作傳感器：

• 熔融沉積建模（FDM）
• 立體光刻（SLA）
• Polyjet工藝
• 選擇性激光燒結(jié)（SLS）
• 3D噴墨打印和DLP
  

“在這六種類(lèi)型中，最常見(jiàn)的類(lèi)型是FDM,，它主要用于開(kāi)發(fā)用于電化學(xué)傳感目的的原型,，”研究人員表示�,！捌渌�像FDM,，SLA和噴墨打印也被考慮用于形成原型，因?yàn)樗鼈兛梢杂幂^低的分辨率開(kāi)發(fā),。 Polyjet和SLS工藝主要用于形成用于細(xì)胞培養(yǎng)應(yīng)用的傳感器,。”

FDM 3D打印在生物醫(yī)學(xué)用途中受到歡迎,，包括AB和PLA材料,，以及蠟和尼龍等替代品。生物打印也取得了成功,，研究人員注意到良好的細(xì)胞活力和可持續(xù)性,。然而，作者指出,，使用FDM 3D打印的缺點(diǎn)包括缺乏形狀完整性和材料沒(méi)有“適當(dāng)調(diào)整”時(shí)的泄漏,。然而，傳感器已被用于檢測(cè)葡萄糖,，癌癥生物標(biāo)記物和其他物品,，如生物反應(yīng)器樣品監(jiān)測(cè)。

SLA 3D打印因其能夠創(chuàng)建大型項(xiàng)目而非常有用,。研究人員利用ABS創(chuàng)造了更復(fù)雜的設(shè)備,，如用于檢測(cè)病原體的生物傳感器和微流體設(shè)備。還創(chuàng)建了一次性和便攜式電化學(xué)傳感器,，以及復(fù)雜的組件,，例如用于尿蛋白定量的3D打印微流體部件，其包括推動(dòng)閥,、旋轉(zhuǎn)閥和扭矩致動(dòng)泵,。

a）通過(guò)慣性聚焦分離捕獲的細(xì)菌的示意圖（b）中在具有梯形橫截面的通道中表示院長(zhǎng)渦旋 （c）3D的照片印刷的微流體裝置。

在聚苯乙烯印刷中,，固化或硬化工藝在FDM 3D打印中產(chǎn)生零件等,，可以使用多個(gè)噴嘴,。
由于多個(gè)噴頭用于打印，因此可以在單個(gè)結(jié)構(gòu)中構(gòu)建多色物體,。該工藝的主要優(yōu)點(diǎn)之一是可以為原型實(shí)現(xiàn)16μm的高分辨率,，精度小于0.1 mm。

使用polyjet 3D打印,，已經(jīng)創(chuàng)建了基于細(xì)胞活力傳感器的流體設(shè)備,，以及其他創(chuàng)新，例如防漏3D打印存儲(chǔ)設(shè)備,。通過(guò)用于ATP和多巴胺傳感的聚苯乙烯3D打印，以及生理傳感器,，電化學(xué)和生物相容性傳感器,，已經(jīng)創(chuàng)建了其他傳感器。

SLS印刷在AM工藝中使用金屬粉末：
使用激光束的局部能量需要一定的激光功率來(lái)熔化顆粒的周邊,。未使用的粉末用作3D打印部件的支撐結(jié)構(gòu),。在掃描每層之后，降低結(jié)構(gòu)以鋪展新的粉末層,，其可以根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）設(shè)計(jì)進(jìn)行掃描,。研究人員表示，不僅可以在SLS中使用金屬粉末顆粒,，還可以使用陶瓷和聚合物或相互組合,。

SLS 3D打印的好處是可以使用許多不同的材料 - 并且正是這樣 - 粉末可用于回收。已經(jīng)創(chuàng)建了細(xì)胞密度傳感器,，例如可以擴(kuò)展到操縱細(xì)胞的“破壞”,，分發(fā)化學(xué)品，并控制酶測(cè)定,。

3D噴墨打印有助于創(chuàng)建強(qiáng)大,、復(fù)雜的結(jié)構(gòu); 例如，研究人員已經(jīng)成功地創(chuàng)造了諸如3D打印仿生耳之類(lèi)的物品,。其他人已經(jīng)創(chuàng)造了諸如致動(dòng)器集成心臟結(jié)構(gòu)形狀3D彈性多功能生物膜的項(xiàng)目,，用于感測(cè)空間和時(shí)間響應(yīng)。

（A）制造的3D打印的仿生耳和（B）3D打印的仿生耳在其體外培養(yǎng)期間的圖像,。（C）在印刷過(guò)程中不同階段的軟骨細(xì)胞的活力,。（D）在培養(yǎng)中印刷的耳朵的重量隨時(shí)間的偏差，其中耳朵由軟骨細(xì)胞接種的藻酸鹽或僅分別以紅色和藍(lán)色顯示的藻酸鹽組成,。（E）使用H＆E染色進(jìn)行的軟骨細(xì)胞形態(tài)的組織學(xué)分析,。（F）新軟骨組織

在培養(yǎng)10周后，Safranin O被染色,。新的軟骨組織與線(xiàn)圈天線(xiàn)接觸的（G）活力的照片（頂部）和熒光（底部）圖像和（H）仿生耳的橫截面顯示接觸的內(nèi)部軟骨組織的活力用電極,。

DLP 3D打印就像SLA一樣,，但投影儀屏幕閃爍，像圖像一樣投射圖層：“每個(gè)二維硬化層是在最安全的條件下將液態(tài)聚合物暴露在投影儀光線(xiàn)之后形成的,，而不是制作一個(gè)帶有多個(gè)激光掃描路徑的層,，”研究人員表示�,！爸貜�(fù)這個(gè)過(guò)程,，直到制造出整個(gè)結(jié)構(gòu)�,！�

諸如葡萄糖生物傳感器,，光可尋址電位傳感器和基于半導(dǎo)體的生物傳感器等項(xiàng)目是迄今為止使用DLP 3D打印創(chuàng)建的一些設(shè)備。

“這些過(guò)程中的每一個(gè)都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn),，包括制造成本和時(shí)間,，可以加工的材料類(lèi)型和可以形成的原型，”研究人員總結(jié)道,�,！斑�提到了一些當(dāng)前的瓶頸，以及可能采取的補(bǔ)救措施,。最后,，市場(chǎng)調(diào)查介紹了當(dāng)前情景中以及未來(lái)幾年開(kāi)發(fā)傳感器和其他電子設(shè)備的不同類(lèi)型3D打印技術(shù)的支出�,！�

然而,，3D打印在電子領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響，更具體地說(shuō),，是傳感器,。多年來(lái)，我們一直遵循各種傳感器,，以改善各種應(yīng)用中的監(jiān)控和功能,，從抵御3D打印網(wǎng)絡(luò)攻擊到制造光纖或趨向簡(jiǎn)單但科學(xué)的問(wèn)題，如測(cè)量植物的水?dāng)z入量,。

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