3D打印在病原体检测中的应用

医疗保健和食品安全等行业，病原体检测至关重要。越快检测出有害细菌或其他微生物，越能有效保护公众免受疾病和污染的侵害。每年，全球数百万人因食源性病原体而患病，其中高达数千人死亡。因此，提高检测方法的效率至关重要。而如今，3D打印在加快、降低成本和提高病原体检测效率方面，扮演着重要角色。



3D打印技术助力创新

最近的两项进展，展示了3D打印如何帮助研究人员创造更精准且成本更低的病原体检测工具。

● 表面印迹聚合物（SIPs）：这种材料表面具有与特定细菌形状匹配的微型模具，从而能够捕捉并检测这些细菌。日本冲绳科学技术研究院的研究人员利用3D打印技术制造这些聚合物并整合到传感器或设备中，用于检测食品或水中的有害细菌。
● 一种可以同时检测多种食源性细菌的3D打印微流控芯片。这项技术由中国广东工业大学和上海浦东新区人民医院共同开发，利用微型通道和传感器快速识别食品样本中的大肠杆菌和沙门氏菌。这一技术加快了检测过程，提高了准确性，使食品安全保障变得更加容易。

技术创新与成本效益


△ 印章上的细菌分布方案。

3D打印技术的应用不仅提高了检测的速度和准确性，还显著降低了成本。传统的病原体检测方法通常需要昂贵的设备，如PCR机器和流式细胞仪，这些设备的价格从数万美元到数十万美元不等。此外，这些设备还需要专业人员操作，增加了检测的复杂性和成本。而3D打印技术则使用更便宜且易得的材料，如透明树脂，并通过SLA 3D打印机逐层固化液态树脂，创造出精确的细菌模具。这种方法不仅降低了生产成本，还减少了手动合成聚合物的劳动强度和错误率，使更多公司和实验室能够在预算内使用先进的检测技术。

精准度与灵敏度并重


△ 通过接触印刷法利用分子印记制备SIP的一般方案。

无论是3D打印的表面印迹聚合物还是芯片传感器，在检测病原体方面均展现出高度精准度和灵敏度。SIPs使用表面印迹法，在聚合物表面创建与所设计检测细菌形状精确匹配的微小空腔，使其能够准确捕捉目标细菌。这种精确度有效防止了其他非有害细菌干扰检测结果，从而避免了误报。

3D打印芯片的灵敏度也非常高，能够检测到每毫升样品中仅10个菌落形成单位（CFU/mL）的病原体，远低于可引发人体疾病的细菌数量，这使得芯片成为食品安全应用中的优秀早期检测工具。通过及早发现污染，企业可以迅速采取行动，防止食源性疾病的爆发。

广泛的应用前景


△ 带有四个主要领域的芯片插图以及止阀操作的草图。

3D打印让这些病原体检测工具能够在多个行业和应用中使用，例如，在医疗诊断、环境监测和生物技术领域。由于SIPs被设计用于检测细菌，可以用于监测水源、追踪土壤中的细菌污染，甚至在工业发酵过程中协助控制细菌生长。同样，3D打印芯片传感器在食品安全行业中颇具价值，可用于测试从生肉到加工食品的多种产品。其同时检测多种病原体的能力非常适合大规模测试，减少了确保食品安全所需的时间和成本。此外，由于3D打印允许快速定制，SIPs和芯片可以根据不同行业的特定需求，调整以检测不同类型的病原体。这种灵活性使得3D打印技术在病原体检测领域的应用前景更加广阔。

速度与效率的提升


△ 表面印刷聚合物。

在病原体检测中，速度至关重要，因为延误可能导致广泛的污染和疾病。传统方法如细胞培养和DNA测序需要较长时间才能产生结果。而3D打印的SIPs可以在不到六小时内制成，并且比旧方法需要更少的人工操作时间。3D打印芯片的效率也大大提高。研究人员表示，芯片可以通过停阀系统自动将食品样品移动到传感器上，加快了检测过程。该系统允许同时快速测试多种病原体，大大缩短了食品安全检测所需的时间。

这些在病原体检测方面的进步，再次证明了3D打印技术的潜力。事实上，3D打印技术不断展示其潜力，提供更快速、更便宜和更精确的解决方案。随着技术的不断发展，3D打印技术在不同产业中发挥的潜力愈加明显，证明其在应对现实挑战中的重要性。