可實時監(jiān)測腦動脈瘤的3D打印無線生物系統(tǒng)解析

來源：3D打印商情

近日，Robert Herbert，Saswat Mishra，Hyo-Ryoung Lim，Hyoungsuk Yoo和Woon-Hong Yeo等研究人員探索了一種新方法，用于創(chuàng)建可伸縮的無線電子設備，用于監(jiān)測血流量，從而預防腦動脈瘤，繼續(xù)推動醫(yī)學領域3D打印與電子產品之間的進步。

他們在最近發(fā)表的論文《Fully Printed, Wireless, Stretchable Implantable Biosystem toward Batteryless, Real-Time Monitoring of Cerebral Aneurysm Hemodynamics》中概述了他們的研究細節(jié)，解釋了他們新穎、優(yōu)化的制造系統(tǒng)如何允許多層打印電容式流量傳感器，可以通過導管部署，然后插入血管。



AJP制造和材料表征。A）使用氣動霧化器（左）的AJP沉積PI的圖示和圖像。放大視圖顯示打印的PI軌跡（右）。B）使用超聲霧化器的Ag沉積的概述（左）和PI上的圖案化Ag的放大圖（右）。C）動脈瘤模型中可植入流量傳感器的AJP制造的圖示。插圖顯示了傳感器封裝的多層結構。D）顯示多層傳感器結構的橫截面SEM圖像。E）打�。ㄗ螅┖蜔�結過程后的AgNP的SEM圖像，顯示簇（右）。F）X射線衍射儀表征玻璃載玻片上的燒結AgNP，PI上的底部Ag電極和PI上的頂部Ag電極。三種情況均未觀察到晶體結構的變化。

科學家們指出，微加工技術在創(chuàng)造微型電子產品方面
取得了更大的進步，同時：
·柔軟的材料
·可伸縮設備
·生物傳感器
·外形小巧

用于在目標容器中進行導管部署的
印刷生物傳感器的力學建模、制造和可靠性

用于在目標容器中進行導管部署的印刷生物傳感器的力學建模、制造和可靠性。A）通過有限元建模設計高度可拉伸的傳感器并與制造的傳感器進行比較。 B，C）在循環(huán)彎曲和徑向拉伸下測量的打印傳感器的電阻，在兩種負載條件下顯示出可忽略的電阻變化。D）通過高度靈活和可拉伸的結構實現(xiàn)在目標血管中基于導管的制造傳感器的部署。


然而，電子植入物在審視距離方面仍然較差。作者預測，未來的設備將是可伸縮的和無線的——不存在我們今天看到的剛性組件�！坝捎跈C械不匹配和笨重的包裝，這些剛性部件與植入軟組織或血管不相容。”研究人員表示。

無線監(jiān)控將取決于集成高導電性元件的進一步發(fā)展。在預防腦動脈瘤方面，由于動脈狹窄，插入植入物一直具有挑戰(zhàn)性。然而，監(jiān)測是至關重要的，因為動脈瘤破裂可能導致死亡。


一種電感耦合方法的參數(shù)研究與優(yōu)化

A）具有可植入流量傳感器和兩個外部天線線圈的無電池無線系統(tǒng)的示意圖；B）設備概述和示例激勵信號。接收的瞬態(tài)傳感器信號因開啟和關閉共振情況而異；C）最佳傳感器線圈匝數(shù)的實驗驗證，以增加共振時的振幅；D）根據(jù)頻率顯示最大諧振的信號幅度，其中9匝勵磁線圈和5匝接收線圈（藍色曲線）；E）由于在感興趣的頻率范圍內調諧天線線圈而使噪聲最小化；F）信號幅度顯示具有較厚Ag（多次通過）的傳感器傳輸較大的共振峰；G）激勵磁場強度與激勵線圈相距1cm的比較，并且在20×20cm2的投影面積上平均，安全極限為1.6Am-1；H）CardioMEMS HF系統(tǒng)的運行ERP大于本工作中使用的5 V.I）傳感器線圈和陶瓷電容器在不同條件下的體外測試，包括傳感器線圈通過空氣的頻率掃描，可讀取高達8cm；J）傳感器線圈放入鹽水溶液時可讀取長達7厘米；K）傳感器線圈，檢測范圍為肉體6厘米。

氣溶膠噴射打印已被用于解決傳統(tǒng)的挑戰(zhàn)，利用3D打印的優(yōu)勢——從快速生產和可擴展的制造，到易于設計和更好的控制。然而，在此研究之前，AJP尚未用于制造此類電子產品。研究人員表示，在這項研究中，他們首次展示了一種支持AJP的高度可伸縮電容系統(tǒng)：“超低剖面和可拉伸結構使得該裝置可以共形地集成到醫(yī)用支架上，并通過傳統(tǒng)的導管手術進行部署，利用新的電感耦合方法監(jiān)測血液動力學，可以在超過現(xiàn)有設備的距離內對打印傳感器進行無電池無線檢測�！�


在仿生血管模型中打印傳感器性能的體外研究

A-C）動脈瘤模型中醫(yī)療支架集成傳感器的照片，顯示A）傳感器的縮小概覽，B）超薄、薄型傳感器的傾斜，放大視圖，以及C）a銅線圈連接傳感器，用于仿生模型中的血液動力學無線監(jiān)測。 D）傳感器捕獲的脈動流速，平均傳感器電容隨著流速從0.05（左）到0.35ms-1（右）而增加。圖（右）表示由于動脈瘤流量增加引起的電容變化機制。E，F(xiàn)）平均電容隨著E）流速在5mm容器中的增加而變化，以及F）在3.5mm容器中的較高流速。G）隨著流速的增加，共振頻率降低。 H）連續(xù)頻率掃描，顯示共振頻率的變化。I）隨著距離增加，共振時的峰值幅度減小;在不能觀察到共振峰值之前實現(xiàn)6cm的詢問距離。J）利用VNA監(jiān)測諧振頻率，降低讀出距離（小于1 cm），表明優(yōu)化的無線電感耦合方法的優(yōu)越性。

在他們的研究中，作者完成了一系列優(yōu)化參數(shù)的計算，而體外研究提供了有關無線檢測中傳感器線圈性能的數(shù)據(jù)。該團隊使用脈動血泵測試血流、傳感器和支架裝置在開口處對齊，以允許入口和出口點穿過動脈瘤。最終，結果顯示通過AJP創(chuàng)建“高性能可拉伸電子產品”的“可行性”。

“總體而言，這一結果與先前的工作完全一致，即使用計算流體模型將傳感器偏轉到電容變化。傳感器的超薄、低輪廓形狀因素避免了對正常血液動力學的破壞。”研究人員表示。

“對于無線監(jiān)控，銅線圈外部連接到電容式傳感器。在0.05ms-1間隔，5mm直徑血管中的平均流速在0至0.35ms -1之間變化。初始傳感器電容為61.53 pF，在最大流速下增加到61.63 pF。這種電容的增加是流入動脈瘤囊并使傳感器偏轉的結果�！�