3D打印生物醫(yī)學傳感器的方法綜述

來源：3D打印商情

雖然傳感器的制造持續(xù)發(fā)展，但障礙依然存在，并且在許多方面阻礙了傳感器制造在許多應用中實現(xiàn)其真正潛力，隨著3D打印的出現(xiàn)，傳感器可以設計成更加簡化和經(jīng)濟實惠的流程，減少生產(chǎn)步驟，減少人工所需的工時，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大、更耐用，并且已經(jīng)顯示出監(jiān)測血壓和心率、呼吸、溫度、大腦活動等的前景。

（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：
1、熔融沉積建模（FDM）；
2、立體光刻（SLA）；
3、Polyjet（聚噴）工藝；
4、選擇性激光燒結(jié)（SLS）；
5、3D噴墨打印；
6、DLP。
“在這六種類型中，最常見的類型是FDM，它主要用于開發(fā)用于電化學傳感目的的原型，”研究人員表示，“其他像FDM，SLA和噴墨打印也被考慮用于形成原型，因為它們可以用較低的分辨率開發(fā)。Polyjet和SLS工藝主要用于形成用于細胞培養(yǎng)應用的傳感器。”

（a）通過慣性聚焦分離捕獲的細菌的示意圖。（b）具有梯形截面的溝道中渦的表示。（c）3D打印的微流體裝置照片。

在polyjet 3D打印中，固化或硬化工藝會產(chǎn)生零件——如同F(xiàn)DM 3D打印一樣，可以使用多個噴嘴。“由于多個噴頭用于打印，因此可以在單個結(jié)構(gòu)中構(gòu)建多色物體。該工藝的主要優(yōu)點之一是可以為原型實現(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)建了基于細胞活力傳感器的流體設備，以及其他創(chuàng)新技術(shù)，例如防漏3D打印存儲設備。通過用于ATP和多巴胺傳感的聚噴3D打印，以及生理傳感器、電化學和生物相容性傳感器，已經(jīng)創(chuàng)建了其他傳感器。

SLS打印在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熔化顆粒的外圍。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)計算機輔助設計（CAD）設計進行掃描。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——這樣粉末還可用于回收。作者解釋說，細胞密度傳感器已經(jīng)被創(chuàng)造出來，它們可以擴展到操縱細胞的“干擾”，分配化學物質(zhì)和控制酶的檢測。

連續(xù)重新校準3D打印的控制單元自適應P控制器。（A）3D打印的燒瓶，用定義的算法控制溶液的pH值。（B）3D打印燒瓶的內(nèi)部。（C）散射光的振幅、pH值和強度隨時間的變化。

3D噴墨打印有助于創(chuàng)建強大、復雜的結(jié)構(gòu)。例如，研究人員已經(jīng)成功地創(chuàng)造了諸如3D打印仿生耳之類的物品。還有研究人員已經(jīng)創(chuàng)造了諸如致動器集成心臟結(jié)構(gòu)形狀3D彈性多功能生物膜的項目，用于感測空間和時間反應。

（A）3D打印的仿生耳；（B）3D打印的仿生耳在其體外培養(yǎng)期間的圖像。（C）在打印過程中不同階段的軟骨細胞的活力。（D）在培養(yǎng)中打印的耳朵的重量隨時間推移的偏差，其中耳朵由軟骨細胞接種的藻酸鹽或僅分別以紅色和藍色顯示的藻酸鹽組成。（E）使用H＆E染色進行的軟骨細胞形態(tài)的組織學分析。（F）新軟骨組織在培養(yǎng)10周后，Safranin O被染色。（G）新軟骨組織的活力與線圈的天線和(H)橫截面的仿生耳朵顯示了內(nèi)軟骨組織與電極接觸的活力。

“每一種工藝在制造成本和時間、可以加工的材料類型和可以形成的原型方面都有各自的優(yōu)缺點。”研究人員總結(jié)道。“我們亦提到目前的一些瓶頸，以及解決這些問題的補救方法。最后，還對目前和今后幾年開發(fā)傳感器和其他電子設備的不同類型3D打印技術(shù)的支出情況進行了市場調(diào)查。”

然而，3D打印在電子領域產(chǎn)生了重大影響，尤其是傳感器。多年來，我們一直創(chuàng)建各種傳感器，以改善各種應用中的監(jiān)控和功能，從抵御3D打印網(wǎng)絡攻擊到制造光纖或趨向簡單但科學的問題，如測量植物的水攝入量。

（a）3D打印的智能手機適配器（b）3D打印的墨盒和滑蓋。（c）用于BL信號采集和分析的組裝的基于智能手機的設備。