克拉克森大學(xué)開發(fā)3D打印可穿戴生物傳感器用于防曬

2020年11月25日，南極熊獲悉，紐約克拉克森大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種定制的生物墨水，并部署到了一系列皮膚相容的3D打印生物傳感器中。

新穎的墨水設(shè)計包括鈦納米顆粒，一旦暴露在紫外線輻射下，就會啟動與彩色染料的光催化反應(yīng)，使凝膠改變顏色。利用他們的新混合物，科學(xué)家們已經(jīng)能夠3D打印皮膚友好的生物傳感器，使用戶能夠最大限度地減少過度暴露于太陽光線所造成的任何損害。

論文作者之一Silvana Andreescu說："我們決定探索3D生物打印的能力，以制造這些可穿戴戴的紫外線傳感器，因為3D打印機已經(jīng)變得便宜和容易獲得。當(dāng)傳感器的鈦被來自太陽的紫外線激活時，染料會反應(yīng)并改變顏色。"

△克拉克森團隊新穎的生物墨水使他們能夠制造出一系列對紫外線敏感的生物傳感器，圖片來自《應(yīng)用材料與界面》雜志

紫外線問題的增材制造解決方案

根據(jù)美國癌癥協(xié)會的數(shù)據(jù)，每年有170萬美國人被診斷為皮膚癌，而僅在2020年，黑色素瘤就導(dǎo)致其中約6850名患者死亡。因此，監(jiān)測人們所受到的紫外線水平是目前一個重要的研究領(lǐng)域，但這也是一個非常困難的領(lǐng)域，因為紫外線輻射的行為是間歇性的。

為了充分了解紫外線的空間和時間變化，克拉克森團隊認(rèn)為需要一種快速和低成本的檢測技術(shù)。有幾種方法認(rèn)為是可行的，如3D打印和注射成型，但研究人員選擇了3D打印，因為它的成本較低，可定制且容易獲得。

更重要的是，生物打印正越來越多地被用于創(chuàng)建具有生物功能的組織結(jié)構(gòu)，成為生產(chǎn)團隊的紫外線激活生物傳感器的理想選擇。然而，在選擇了生產(chǎn)方法后，團隊還發(fā)現(xiàn)需要一種新的生物相容性油墨，以實現(xiàn)所需的持續(xù)安全皮膚接觸。

△傳感器的鈦粒子如何對紫外線照射做出反應(yīng)的可視化表示，圖片來自《應(yīng)用材料與界面》雜志

克拉克森團隊的生物墨水

為了使他們的生物傳感器成為可能，科學(xué)家們首先要創(chuàng)造出一種由光活性二氧化鈦（TiO2）納米顆粒和多色染料組成的新型生物墨水，并分散在水凝膠中。此外，還加入了海藻酸鹽和明膠，以賦予3D打印所需的粘度，以及凝膠狀的質(zhì)地，從而具有機械穩(wěn)定性。

選擇TiO2是因為它的光催化能力，能夠通過一系列的還原-氧化鏈反應(yīng)來分解有機材料。在這一機制中，一旦暴露在紫外線輻射下，團隊試圖啟動傳感器中的綠色、橙色和藍色染料的分解。

在科學(xué)家們使用CAD軟件優(yōu)化了設(shè)備設(shè)計之后，他們利用Allevi 2 3D生物打印機制造了一系列基本原型，然后轉(zhuǎn)入測試。為了評估3D打印設(shè)備的機械穩(wěn)定性和均勻性，團隊將沿五個不同的點進行納米壓痕測試。

研究人員使用Allevi 2 3D打印機 3D打印了他們基于生物聚合物的傳感器，圖片來自Allevi Inc.

結(jié)果顯示，模型之間的硬度偏差很低，它們具有很強的機械性能，并反映了TiO2顆粒的高分布。在最終產(chǎn)品測試過程中，傳感器還表現(xiàn)出了一個奇怪的行為：不同顏色的染料在相同水平的紫外線照射下以不同的速度降解。

基于這一發(fā)現(xiàn)，研究團隊認(rèn)為，他們的設(shè)備可以根據(jù)佩戴者的皮膚敏感度或黑色素水平進行定制，以滿足個人護膚需求。

無論是哪種方式，無論是在醫(yī)療還是防曬護理環(huán)境中，團隊認(rèn)為他們的生物墨水和生物傳感器是一種低成本、可獲得和可定制的解決方案。

身體監(jiān)測和增材制造生物傳感器

研究人員近年來開發(fā)出了多種3D打印生物傳感器，有可能讓用戶密切監(jiān)測自己的身體健康狀況。

來自成均館大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)生產(chǎn)出了一種帶有糖基支架的有機硅彈性體，可以作為制造可穿戴醫(yī)療生物傳感器的基礎(chǔ)。事實證明，這些設(shè)備對志愿者的皮膚下、肌肉中和大腦中的微小電信號變化高度敏感。

華盛頓州立大學(xué)(WSU)的一個團隊利用3D打印技術(shù)為糖尿病患者制造了一種葡萄糖篩查設(shè)備。新穎的用戶專用生物傳感器能夠被轉(zhuǎn)移到皮膚上，并被證明能夠貼合人體曲線。

同時，CCDC士兵中心的研究人員還制造了生物傳感器，能夠從生理上跟蹤美軍的安康狀況。這種微流體裝置也有可能應(yīng)用于戰(zhàn)場，作為保護士兵免受情境威脅的一種手段。

研究人員的研究結(jié)果詳見其題為 "3D Printed Hydrogel-Based Sensors for Quantifying UV Exposure "的論文，該論文由Abraham Samuel Finny、Cindy Jiang和Silvana Andreescu共同撰寫。


編譯自：3dprintingindustry