3D打印生物医学传感器的方法

来源：广西增材制造协会

据悉，来自中国和印度的研究人员齐聚一堂，共同审查当前3D打印的传感器场景，包括所使用的技术以及受影响的应用和行业。最近在“用于生物医学应用的3D打印传感器回顾”中发表了他们的发现。虽然传感器的制造继续发展，但障碍已经普及，并且在许多方面阻碍了传感器制造在许多应用中实现其真正潜力。正如作者所指出的那样，传感器就在我们身边，但由于制造成本，材料方面的挑战（例如硅，在低频下也存在问题）以及温度问题，传感器很多。更重要的是，大多数传感器不具有生物相容性，因此在医疗领域取得了进展。

随着3D打印的出现，传感器可以设计成更加简化和经济实惠的流程，减少生产步骤，减少人工所需的工时，从而创建可以数字化生成的精确原型。 3D打印传感器通常更强大，更耐用，并且已经显示出监测血压和心率，呼吸，温度，大脑活动等的前景。

（A）熔融沉积建模（B）立体光刻（C）多喷射工艺（D）选择性激光烧结（E）3D喷墨打印（F）数字光处理。

目前，已成功使用以下流程制作传感器：

• 熔融沉积建模（FDM）
• 立体光刻（SLA）
• Polyjet工艺
• 选择性激光烧结（SLS）
• 3D喷墨打印和DLP
  

“在这六种类型中，最常见的类型是FDM，它主要用于开发用于电化学传感目的的原型，”研究人员表示。“其他像FDM，SLA和喷墨打印也被考虑用于形成原型，因为它们可以用较低的分辨率开发。 Polyjet和SLS工艺主要用于形成用于细胞培养应用的传感器。”

FDM 3D打印在生物医学用途中受到欢迎，包括AB和PLA材料，以及蜡和尼龙等替代品。生物打印也取得了成功，研究人员注意到良好的细胞活力和可持续性。然而，作者指出，使用FDM 3D打印的缺点包括缺乏形状完整性和材料没有“适当调整”时的泄漏。然而，传感器已被用于检测葡萄糖，癌症生物标记物和其他物品，如生物反应器样品监测。

SLA 3D打印因其能够创建大型项目而非常有用。研究人员利用ABS创造了更复杂的设备，如用于检测病原体的生物传感器和微流体设备。还创建了一次性和便携式电化学传感器，以及复杂的组件，例如用于尿蛋白定量的3D打印微流体部件，其包括推动阀、旋转阀和扭矩致动泵。

a）通过惯性聚焦分离捕获的细菌的示意图（b）中在具有梯形横截面的通道中表示院长涡旋 （c）3D的照片印刷的微流体装置。

在聚苯乙烯印刷中，固化或硬化工艺在FDM 3D打印中产生零件等，可以使用多个喷嘴。
由于多个喷头用于打印，因此可以在单个结构中构建多色物体。该工艺的主要优点之一是可以为原型实现16μm的高分辨率，精度小于0.1 mm。

使用polyjet 3D打印，已经创建了基于细胞活力传感器的流体设备，以及其他创新，例如防漏3D打印存储设备。通过用于ATP和多巴胺传感的聚苯乙烯3D打印，以及生理传感器，电化学和生物相容性传感器，已经创建了其他传感器。

SLS印刷在AM工艺中使用金属粉末：
使用激光束的局部能量需要一定的激光功率来熔化颗粒的周边。未使用的粉末用作3D打印部件的支撑结构。在扫描每层之后，降低结构以铺展新的粉末层，其可以根据计算机辅助设计（CAD）设计进行扫描。研究人员表示，不仅可以在SLS中使用金属粉末颗粒，还可以使用陶瓷和聚合物或相互组合。

SLS 3D打印的好处是可以使用许多不同的材料 - 并且正是这样 - 粉末可用于回收。已经创建了细胞密度传感器，例如可以扩展到操纵细胞的“破坏”，分发化学品，并控制酶测定。

3D喷墨打印有助于创建强大、复杂的结构; 例如，研究人员已经成功地创造了诸如3D打印仿生耳之类的物品。其他人已经创造了诸如致动器集成心脏结构形状3D弹性多功能生物膜的项目，用于感测空间和时间响应。

（A）制造的3D打印的仿生耳和（B）3D打印的仿生耳在其体外培养期间的图像。（C）在印刷过程中不同阶段的软骨细胞的活力。（D）在培养中印刷的耳朵的重量随时间的偏差，其中耳朵由软骨细胞接种的藻酸盐或仅分别以红色和蓝色显示的藻酸盐组成。（E）使用H＆E染色进行的软骨细胞形态的组织学分析。（F）新软骨组织

在培养10周后，Safranin O被染色。新的软骨组织与线圈天线接触的（G）活力的照片（顶部）和荧光（底部）图像和（H）仿生耳的横截面显示接触的内部软骨组织的活力用电极。

DLP 3D打印就像SLA一样，但投影仪屏幕闪烁，像图像一样投射图层：“每个二维硬化层是在最安全的条件下将液态聚合物暴露在投影仪光线之后形成的，而不是制作一个带有多个激光扫描路径的层，”研究人员表示。“重复这个过程，直到制造出整个结构。”

诸如葡萄糖生物传感器，光可寻址电位传感器和基于半导体的生物传感器等项目是迄今为止使用DLP 3D打印创建的一些设备。

“这些过程中的每一个都有其自身的优缺点，包括制造成本和时间，可以加工的材料类型和可以形成的原型，”研究人员总结道。“还提到了一些当前的瓶颈，以及可能采取的补救措施。最后，市场调查介绍了当前情景中以及未来几年开发传感器和其他电子设备的不同类型3D打印技术的支出。”

然而，3D打印在电子领域产生了重大影响，更具体地说，是传感器。多年来，我们一直遵循各种传感器，以改善各种应用中的监控和功能，从抵御3D打印网络攻击到制造光纤或趋向简单但科学的问题，如测量植物的水摄入量。

来源：广西增材制造协会