3D打印生物材料在醫(yī)療衛(wèi)生的應(yīng)用

來源： EngineeringForLife

隨著人口壽命的延長和生活質(zhì)量的提高，對(duì)健康監(jiān)測(cè)和疾病治療的需求不斷增長,，3D打印技術(shù)以其在快速原型制作和定制化生產(chǎn)方面的顯著優(yōu)勢(shì),，成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中聚合物生物材料應(yīng)用的重要工具，尤其在個(gè)性化醫(yī)療設(shè)備,、組織工程和藥物遞送系統(tǒng)等方面展現(xiàn)出巨大潛力,。

亞利桑那州立大學(xué)宋克男團(tuán)隊(duì)探討了不同3D打印技術(shù)與生物材料的兼容性，以及這些技術(shù)在生物傳感器,、生物執(zhí)行器,、軟機(jī)器人、能量存儲(chǔ)系統(tǒng)和自供能設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用,。

圖1 3D打印方法用于健康應(yīng)用

常用于健康應(yīng)用的3D打印方法,，包括熔融沉積建模（FDM）、直接墨水書寫（DIW）,、立體光刻（SLA）,、數(shù)字光處理（DLP）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）和噴墨/層壓制造（Inkjet printing/LOM）,，這些技術(shù)通過不同的打印機(jī)制實(shí)現(xiàn)材料的逐層沉積,，從而構(gòu)建出復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)，它們?cè)谏�物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景,，包括定制化醫(yī)療設(shè)備,、組織工程和藥物遞送系統(tǒng)等。   

圖2 3D打印技術(shù)在制造電阻/導(dǎo)電傳感器,、電容傳感器以及微流體檢測(cè)器和分離器方面的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在健康監(jiān)測(cè)傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例,，包括利用電靜力/導(dǎo)電傳感器（如基于PEO/PANI/Graphene的柔性壓力傳感器）、離子傳感器（如通過SLA打印的離子裝置）和電容傳感器（如基于Ecoflex的微結(jié)構(gòu)電容式壓力傳感器）,，這些傳感器能夠監(jiān)測(cè)生理參數(shù)變化,，如壓力、運(yùn)動(dòng)和呼吸模式,，體現(xiàn)了3D打印在制造定制化,、高精度健康監(jiān)測(cè)設(shè)備方面的優(yōu)勢(shì)。

   

圖3 3D打印技術(shù)在微流體檢測(cè)器和分離器中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在微流體裝置領(lǐng)域的應(yīng)用,，包括用于抗菌藥物敏感性測(cè)試的三維微流體濃度梯度生成器（μ-CGG）,、用于分離循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTCs）的微流體設(shè)備，以及集成了微流體平臺(tái)和光子硅芯片的系統(tǒng),，這些設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)藥物濃度梯度的精確控制,、提高腫瘤細(xì)胞捕獲效率以及快速確定抗生素的最小抑制濃度（MIC），從而在疾病檢測(cè)、癌癥診斷和個(gè)性化醫(yī)療治療中發(fā)揮重要作用,。   

圖4 3D打印技術(shù)在制造可穿戴汗液傳感器方面的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在可穿戴微流體傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用,，包括用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汗液中電解質(zhì)水平的生物電子貼片和能夠順序收集不同時(shí)間段汗液以分析氯離子濃度的“Sweatainer”系統(tǒng)，這些設(shè)備通過精確控制微流體通道和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),，實(shí)現(xiàn)了非侵入式健康監(jiān)測(cè),，為個(gè)性化醫(yī)療和運(yùn)動(dòng)生理狀態(tài)評(píng)估提供了新的途徑。   

圖5 3D打印技術(shù)在開發(fā)多種微針傳感器方面的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在制造微針（MNs）傳感器方面的應(yīng)用,，包括用于監(jiān)測(cè)皮膚間質(zhì)液pH值的微針pH傳感器,、基于響應(yīng)血糖水平釋放胰島素的微針貼片，以及用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)皮下葡萄糖水平的微針生物傳感器,，這些設(shè)備的開發(fā)體現(xiàn)了3D打印在個(gè)性化醫(yī)療設(shè)備和非侵入性健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的巨大潛力,。  

圖6 3D打印技術(shù)在制造具有模仿生物運(yùn)動(dòng)能力的生物執(zhí)行器及其在健康應(yīng)用中的潛力

3D打印技術(shù)在制造生物執(zhí)行器（bioactuators）方面的先進(jìn)應(yīng)用，包括通過立體光刻（SLA）技術(shù)制造的多材料微執(zhí)行器芯片,、對(duì)溫度和pH響應(yīng)的多響應(yīng)執(zhí)行器,、具有扭曲模式的多材料直接墨水書寫（DIW）執(zhí)行器，以及集成了傳感器的軟體執(zhí)行器,，這些執(zhí)行器能夠模擬生物運(yùn)動(dòng),，用于軟機(jī)器人、人工肌肉,、藥物遞送載體等健康應(yīng)用領(lǐng)域,，體現(xiàn)了3D打印在定制化和功能化生物執(zhí)行器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵作用。   

圖7 3D打印技術(shù)在可穿戴軟機(jī)器人領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用

3D打印技術(shù)在可穿戴軟機(jī)器人領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用,，包括能夠執(zhí)行實(shí)際任務(wù)的FDM打印的假手,、基于FDM制造的用于康復(fù)訓(xùn)練的手套，以及集成了流體電路的完全3D打印的軟機(jī)器人系統(tǒng),，這些設(shè)備通過精確控制流體流動(dòng)來模擬手指運(yùn)動(dòng)和執(zhí)行復(fù)雜任務(wù),，如玩視頻游戲，從而在輔助設(shè)備,、康復(fù)工具以及獨(dú)立系統(tǒng)等方面展現(xiàn)了3D打印技術(shù)在提高生活質(zhì)量和醫(yī)療應(yīng)用中的潛力,。   

圖8 3D打印技術(shù)在制造自供能設(shè)備方面的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在制造自供能設(shè)備方面的應(yīng)用，包括模仿魚鰓結(jié)構(gòu)的熱電發(fā)生器,、基于微連續(xù)液界面生產(chǎn)（μCLIP）技術(shù)的壓電傳感器,、用于人體動(dòng)脈中監(jiān)測(cè)血栓的壓電傳感器，以及能夠捕捉手部運(yùn)動(dòng)的摩擦電傳感器,，這些設(shè)備能夠?qū)�機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能,，為可穿戴設(shè)備和植入式醫(yī)療設(shè)備提供能量，展示了3D打印在提升能源效率和促進(jìn)個(gè)性化醫(yī)療設(shè)備發(fā)展中的重要性,。   

圖9 數(shù)據(jù)科學(xué)在3D生物打印中的應(yīng)用

匯總了數(shù)據(jù)科學(xué)在3D生物打印中的應(yīng)用,，包括利用機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)墨水力學(xué)性能與打印性的關(guān)系,、貝葉斯優(yōu)化框架評(píng)估打印性并優(yōu)化材料配方,、Hotelling T2控制圖檢測(cè)打印異常以及圖像和數(shù)據(jù)處理分析打印線條的方法,，這些技術(shù)的應(yīng)用提高了打印過程的自動(dòng)化質(zhì)量控制和過程優(yōu)化，推動(dòng)了生物打印技術(shù)在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展,。   

全文總結(jié)
全文綜述了3D打印技術(shù)與聚合物生物材料結(jié)合在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,，包括多種3D打印技術(shù)如FDM、DIW,、SLA,、DLP、SLS等,，以及它們與合成和天然生物材料的兼容性,，重點(diǎn)探討了這些技術(shù)在制造生物傳感器、生物執(zhí)行器,、軟機(jī)器人,、能量存儲(chǔ)系統(tǒng)、自供能設(shè)備以及數(shù)據(jù)科學(xué)在生物繪圖中的應(yīng)用,，并討論了面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展的前景,，強(qiáng)調(diào)了3D打印技術(shù)在個(gè)性化醫(yī)療和再生醫(yī)學(xué)中的巨大潛力。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adhm.202402571