新发现允许将传感器直接3D打印在运动器官上

3D打印快讯
2020
06/24
14:26
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来源: 江苏激光联盟

导读:在具有开创性的新研究中,明尼苏达大学的机械工程师和计算机科学家开发了一种3D打印技术,该技术使用类似于好莱坞电影中使用的运动捕捉技术,将电子传感器直接打印在正在扩张和收缩的器官上。新的3D打印技术可能在诊断和监测COVID-19患者的肺部方面有未来的应用。这项研究发表在《Science Advances》上。

三维(3D)打印技术在过去几十年中发展迅速,现在包括诸如机器定位和喷墨印刷可以三维交织硬塑料以外的各种材料,例如3D印刷导体,半导体和生物材料。展望未来,3D打印可以在皮肤和身体内部制造柔软兼容的生物医学设备和传感器,推进便携式患者监测,伤口处理,以及器官功能增强。
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尽管有这样的前景,现有3D打印技术的医学影响仍然是新生事物。在医学应用中,目标活体生物表面通常是柔软的,并且会经历持续的运动和变形。这种随时间变化的几何形状从根本上限制了基于开环范例的现有3D打印系统的应用,它可能不适用于像肺这样非平面的动态变形器官。

这项新的研究是该团队成员两年前发现的下一代3D打印技术,该技术可以在左右移动或旋转的手的皮肤上直接打印电子产品。这项新技术允许对肺、心脏等器官上的3D打印传感器进行更复杂的跟踪,这些传感器由于膨胀和收缩而发生形状变化或变形。

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图1. 2018年新型3D打印技术在皮肤上的关键创新之一是打印机使用计算机视觉来实时跟踪和调整运动。

明尼苏达大学机械工程学教授,这项研究的高级研究员Michael McAlpine表示他们正在以前所未有的新方式突破3D打印的界限。 在移动物体上进行3D打印已经足够困难,但是要找到一种在其膨胀和收缩时变形的表面上进行打印的方法,这是一个很大的挑战。

在活体人体器官上直接打印兼容的生物医学设备的能力可能有益于患者监测和伤口治疗,这需要3D打印机适应生物表面的各种变形。研究人员从实验室开始,使用气球状表面和专用的3D打印机。他们使用运动捕捉跟踪标记,就像在电影中使用的那样来创建特殊效果,以帮助3-D打印机将其打印路径调整为适应表面上的伸缩运动。然后,研究人员转移到实验室中被人为充气的动物肺部。他们能够直接在表面上成功印刷基于水凝胶的软传感器。McAlpine表示该技术将来可能还会用于心脏跳动的3D打印传感器。

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图2. 在呼吸肺上原位3D打印EIT传感器的过程
图解:(A)肺表面3D扫描,(B)呼吸肺的实时跟踪,(C)水凝胶墨水在呼吸肺上的适应性印刷以及(D)现场监测肺变形的示意图 EIT传感器。

通过直接在经历呼吸诱导变形的猪肺(BioQuest)上制造EIT应变传感器,研究人员证明了AI驱动的3D打印系统的原位3D打印能力。

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图3. 在猪肺上进行3D打印,用于变形的原位监测,并在可变形的模型面上进行3D打印


这项研究背后更深的意义是朝着将三维打印技术与手术机器人相结合的目标迈出的一大步。在未来,3D打印将不仅仅是打印,而是更大的自主机器人系统的一部分。这对于像COVID-19这样的疾病可能很重要,因为在这种疾病中,医护人员在治疗患者时处于危险之中。

原文链接:advances.sciencemag.org/content/6/25/eaba5575
参考文献:DOI: 10.1002/adma.201707495


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