新發(fā)現(xiàn)允許將傳感器直接3D打印在運(yùn)動(dòng)器官上

來(lái)源： 江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：在具有開(kāi)創(chuàng)性的新研究中，明尼蘇達(dá)大學(xué)的機(jī)械工程師和計(jì)算機(jī)科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種3D打印技術(shù)，該技術(shù)使用類似于好萊塢電影中使用的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)，將電子傳感器直接打印在正在擴(kuò)張和收縮的器官上。新的3D打印技術(shù)可能在診斷和監(jiān)測(cè)COVID-19患者的肺部方面有未來(lái)的應(yīng)用。這項(xiàng)研究發(fā)表在《Science Advances》上。

三維(3D)打印技術(shù)在過(guò)去幾十年中發(fā)展迅速，現(xiàn)在包括諸如機(jī)器定位和噴墨印刷可以三維交織硬塑料以外的各種材料，例如3D印刷導(dǎo)體，半導(dǎo)體和生物材料。展望未來(lái)，3D打印可以在皮膚和身體內(nèi)部制造柔軟兼容的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和傳感器，推進(jìn)便攜式患者監(jiān)測(cè)，傷口處理，以及器官功能增強(qiáng)。

盡管有這樣的前景，現(xiàn)有3D打印技術(shù)的醫(yī)學(xué)影響仍然是新生事物。在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，目標(biāo)活體生物表面通常是柔軟的，并且會(huì)經(jīng)歷持續(xù)的運(yùn)動(dòng)和變形。這種隨時(shí)間變化的幾何形狀從根本上限制了基于開(kāi)環(huán)范例的現(xiàn)有3D打印系統(tǒng)的應(yīng)用，它可能不適用于像肺這樣非平面的動(dòng)態(tài)變形器官。

這項(xiàng)新的研究是該團(tuán)隊(duì)成員兩年前發(fā)現(xiàn)的下一代3D打印技術(shù)，該技術(shù)可以在左右移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的手的皮膚上直接打印電子產(chǎn)品。這項(xiàng)新技術(shù)允許對(duì)肺、心臟等器官上的3D打印傳感器進(jìn)行更復(fù)雜的跟蹤，這些傳感器由于膨脹和收縮而發(fā)生形狀變化或變形。

圖1. 2018年新型3D打印技術(shù)在皮膚上的關(guān)鍵創(chuàng)新之一是打印機(jī)使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)來(lái)實(shí)時(shí)跟蹤和調(diào)整運(yùn)動(dòng)。

明尼蘇達(dá)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)教授，這項(xiàng)研究的高級(jí)研究員Michael McAlpine表示他們正在以前所未有的新方式突破3D打印的界限。 在移動(dòng)物體上進(jìn)行3D打印已經(jīng)足夠困難，但是要找到一種在其膨脹和收縮時(shí)變形的表面上進(jìn)行打印的方法，這是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

在活體人體器官上直接打印兼容的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的能力可能有益于患者監(jiān)測(cè)和傷口治療，這需要3D打印機(jī)適應(yīng)生物表面的各種變形。研究人員從實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始，使用氣球狀表面和專用的3D打印機(jī)。他們使用運(yùn)動(dòng)捕捉跟蹤標(biāo)記，就像在電影中使用的那樣來(lái)創(chuàng)建特殊效果，以幫助3-D打印機(jī)將其打印路徑調(diào)整為適應(yīng)表面上的伸縮運(yùn)動(dòng)。然后，研究人員轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室中被人為充氣的動(dòng)物肺部。他們能夠直接在表面上成功印刷基于水凝膠的軟傳感器。McAlpine表示該技術(shù)將來(lái)可能還會(huì)用于心臟跳動(dòng)的3D打印傳感器。

圖2. 在呼吸肺上原位3D打印EIT傳感器的過(guò)程

圖解：(A)肺表面3D掃描，(B)呼吸肺的實(shí)時(shí)跟蹤，(C)水凝膠墨水在呼吸肺上的適應(yīng)性印刷以及(D)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)肺變形的示意圖 EIT傳感器。

通過(guò)直接在經(jīng)歷呼吸誘導(dǎo)變形的豬肺（BioQuest）上制造EIT應(yīng)變傳感器，研究人員證明了AI驅(qū)動(dòng)的3D打印系統(tǒng)的原位3D打印能力。

圖3. 在豬肺上進(jìn)行3D打印，用于變形的原位監(jiān)測(cè)，并在可變形的模型面上進(jìn)行3D打印

這項(xiàng)研究背后更深的意義是朝著將三維打印技術(shù)與手術(shù)機(jī)器人相結(jié)合的目標(biāo)邁出的一大步。在未來(lái)，3D打印將不僅僅是打印，而是更大的自主機(jī)器人系統(tǒng)的一部分。這對(duì)于像COVID-19這樣的疾病可能很重要，因?yàn)樵谶@種疾病中，醫(yī)護(hù)人員在治療患者時(shí)處于危險(xiǎn)之中。

原文鏈接：advances.sciencemag.org/content/6/25/eaba5575
參考文獻(xiàn)：DOI: 10.1002/adma.201707495