3D打印生物醫(yī)學傳感器的方法

來源：廣西增材制造協(xié)會

據(jù)悉，來自中國和印度的研究人員齊聚一堂，共同審查當前3D打印的傳感器場景，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，在低頻下也存在問題）以及溫度問題，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)域取得了進展。

隨著3D打印的出現(xiàn)，傳感器可以設(shè)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�。‵）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�！捌渌�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(yīng)用的傳感器�！�

FDM 3D打印在生物醫(yī)學用途中受到歡迎，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胞活力和可持續(xù)性。然而，作者指出，使用FDM 3D打印的缺點包括缺乏形狀完整性和材料沒有“適當調(diào)整”時的泄漏。然而，傳感器已被用于檢測葡萄糖，癌癥生物標記物和其他物品，如生物反應(yīng)器樣品監(jiān)測。

SLA 3D打印因其能夠創(chuàng)建大型項目而非常有用。研究人員利用ABS創(chuàng)造了更復雜的設(shè)備，如用于檢測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傳感器，以及復雜的組件，例如用于尿蛋白定量的3D打印微流體部件，其包括推動閥、旋轉(zhuǎn)閥和扭矩致動泵。

a）通過慣性聚焦分離捕獲的細菌的示意圖（b）中在具有梯形橫截面的通道中表示院長渦旋 （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(shè)備，以及其他創(chuàng)新，例如防漏3D打印存儲設(shè)備。通過用于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)計算機輔助設(shè)計（CAD）設(shè)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 - 并且正是這樣 - 粉末可用于回收。已經(jīng)創(chuàng)建了細胞密度傳感器，例如可以擴展到操縱細胞的“破壞”，分發(fā)化學品，并控制酶測定。

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。其他人已經(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）在印刷過程中不同階段的軟骨細胞的活力。（D）在培養(yǎng)中印刷的耳朵的重量隨時間的偏差，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。新的軟骨組織與線圈天線接觸的（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之后形成的，而不是制作一個帶有多個激光掃描路徑的層，”研究人員表示�！爸貜瓦@個過程，直到制造出整個結(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體的生物傳感器等項目是迄今為止使用DLP 3D打印創(chuàng)建的一些設(shè)備。

“這些過程中的每一個都有其自身的優(yōu)缺點，包括制造成本和時間，可以加工的材料類型和可以形成的原型，”研究人員總結(jié)道�！斑�提到了一些當前的瓶頸，以及可能采取的補救措施。最后，市場調(diào)查介紹了當前情景中以及未來幾年開發(fā)傳感器和其他電子設(shè)備的不同類型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，是傳感器。多年來，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單但科學的問題，如測量植物的水攝入量。

來源：廣西增材制造協(xié)會