《Science》子刊：在活體器官上原位3D打印可變形水凝膠傳感器！

來源：高分子科學(xué)前沿

近年來，3D打印技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，從起初的打印塑料制品到現(xiàn)如今的導(dǎo)體、半導(dǎo)體、生物材料等，其便捷、出色的制造能力使其在各個(gè)領(lǐng)域都備受關(guān)注。尤其是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，研究者們希望能在活的人體器官上直接打印出與人體兼容的生物醫(yī)學(xué)裝置，從而實(shí)現(xiàn)對患者的實(shí)時(shí)監(jiān)測與傷口治療。然而，在實(shí)際的醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，目標(biāo)活體生物的表面通常是柔軟的，而且在不停地運(yùn)動(dòng)和變形。這種隨時(shí)間變化的幾何結(jié)構(gòu)從根本上限制了當(dāng)前以開環(huán)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的現(xiàn)有3D打印系統(tǒng)的應(yīng)用。該類系統(tǒng)需要先在校準(zhǔn)的平面基板上進(jìn)行離線制造，然后再將其轉(zhuǎn)移到目標(biāo)生物的表面，因此不適用于非平面、動(dòng)態(tài)變形的器官。此外，打印成型的生物傳感器在后續(xù)人工處理、運(yùn)輸和移植過程中容易受到破壞和污染，并且存在著不可避免的各類誤差。因此，希望能研發(fā)一種能適應(yīng)生物表面各種變形的原位3D打印技術(shù)。

美國明尼蘇達(dá)大學(xué)Michael C. McAlpine等人開發(fā)了一種原位3D打印系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)估算目標(biāo)表面的運(yùn)動(dòng)和變形，并利用此打印系統(tǒng)將傳感器打印在呼吸誘導(dǎo)變形的豬肺上。該基于水凝膠的傳感器與組織表面相容，并通過電阻抗斷層掃描技術(shù)（EIT）提供變形的連續(xù)空間映射。由于離子水凝膠具有高透明度、可拉伸性、導(dǎo)電性、高速響應(yīng)等優(yōu)勢，與采用其他材料EIT方法的工作相比，該技術(shù)具有對軟組織的理想機(jī)械適應(yīng)性等優(yōu)勢。這種自適應(yīng)的3D打印方法可以運(yùn)用于機(jī)器人輔助的醫(yī)學(xué)治療，從而能夠在人體內(nèi)外直接打印可穿戴電子設(shè)備和生物材料。該研究以題為“3D printed deformable sensors”的論文發(fā)表在《Science Advances》上。

【實(shí)時(shí)3D表面追蹤】
該研究創(chuàng)造性地提出了一種新的打印程序，通過將視覺傳感系統(tǒng)與3D打印機(jī)集成在一起來追蹤隨時(shí)間變化的3D幾何形狀，從而在可變形的肺部上制造EIT應(yīng)變傳感器。該工作首先從預(yù)先掃描的數(shù)據(jù)集中離線學(xué)習(xí)了表面幾何圖形的低維參數(shù)模型，以降低后續(xù)在線計(jì)算的復(fù)雜程度。然后通過使用由立體相機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測的一組稀疏基準(zhǔn)標(biāo)記來估計(jì)離線學(xué)習(xí)模型中的參數(shù)，從而在線恢復(fù)了保形刀具路徑的幾何形狀。對于離線學(xué)習(xí)，該工作采用了具有亞毫米級(jí)精度和分辨率的結(jié)構(gòu)光3D掃描儀，通過3D掃描儀對帶有基準(zhǔn)標(biāo)記的肺進(jìn)行了多個(gè)高保真3D掃描（圖1A）。隨后打印的EIT應(yīng)變傳感器能適應(yīng)肺部變形，提供肺部變形的原位圖像。該研究采用基準(zhǔn)標(biāo)記系統(tǒng)來提高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，以追蹤無紋理的表面或具有稀疏特征和鏡面反射的表面。

圖1 肺部EIT傳感器的原位3D打印過程

【離子水凝膠】
離子水凝膠優(yōu)異的可拉伸性、透明性、導(dǎo)電性使其成為EIT大應(yīng)變傳感的理想選擇。與其他復(fù)合材料（如碳嵌入的彈性體）在瞬態(tài)激發(fā)下表現(xiàn)出非線性的、不可逆的電導(dǎo)率響應(yīng)相比，離子水凝膠的電導(dǎo)率與拉伸無關(guān)，因此可實(shí)現(xiàn)可重復(fù)且穩(wěn)定的應(yīng)變讀取，且無需復(fù)雜的算法來補(bǔ)償材料電導(dǎo)率的非線性。該研究采用氯化鋰（LiCl）進(jìn)行離子傳導(dǎo)，選擇了一種可拉伸和紫外固化的聚合物聚丙烯酰胺（PAM）作為離子水凝膠中的基質(zhì)。該水凝膠在剪切速率超過0.1 s-1時(shí)，隨著粘度的降低，發(fā)生了剪切稀化行為。這種較低的粘度使其得在一定氣壓下可以從打印噴嘴順利擠出。使用紫外光交聯(lián)后，單軸拉伸的測試結(jié)果表明水凝膠顯示出類似組織的拉伸特性。

圖2 EIT變形傳感器的設(shè)計(jì)與表征

【原位變形監(jiān)測】
首先，通過生物相容性粘合劑將時(shí)間跟蹤標(biāo)記附著到肺表面，然后通過結(jié)構(gòu)化光掃描儀對每個(gè)變形狀態(tài)下的表面幾何形狀進(jìn)行采樣，以形成用于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的數(shù)據(jù)集，從而學(xué)習(xí)變形模型（圖3A）。EIT變形傳感器的自適應(yīng)3D打印僅基于來自跟蹤攝像機(jī)（圖3B）的實(shí)時(shí)圖像和學(xué)習(xí)到的變形模型，從而在肺部形成水凝膠的圓形層（圖3D）。然后將嵌入硅膠環(huán)中的電極連接到印刷層上，并暴露于UV光中來使水凝膠交聯(lián)（圖3E）。通過在紫外光固化過程中形成硅酮-水凝膠鍵合，可以獲得穩(wěn)定的水凝膠-電極界面。該EIT傳感器在反復(fù)變形下能夠牢牢粘附在肺表面，并在完成傳感器的功能后，可以使用鑷子去除水凝膠層和跟蹤標(biāo)記以及生物相容性粘合劑，而不會(huì)留下任何明顯的殘留物。

圖3在豬肺上3D打印以進(jìn)行變形過程中的原位監(jiān)測

總結(jié)：作者在動(dòng)態(tài)變形的呼吸肺上進(jìn)行了原位3D打印，并采用水凝膠傳感器進(jìn)行肺變形的原位監(jiān)測。這種基于水凝膠的EIT傳感器的獨(dú)特設(shè)計(jì)使得該系統(tǒng)可以適應(yīng)目標(biāo)表面的變形和運(yùn)動(dòng)。作者通過結(jié)合“離線”機(jī)器學(xué)習(xí)與“在線”基于計(jì)算機(jī)視覺的跟蹤，實(shí)現(xiàn)了以動(dòng)態(tài)點(diǎn)云的形式估算表面變形的方法。在傳感器設(shè)計(jì)中，該研究集成了具有EIT感應(yīng)配置的導(dǎo)電水凝膠，以實(shí)現(xiàn)可拉伸應(yīng)變傳感器的增材制造，并具有對肺表面良好的機(jī)械適應(yīng)性和出色的感應(yīng)分辨率。這種自適應(yīng)的3D打印方法可以運(yùn)用于機(jī)器人輔助的醫(yī)學(xué)治療，從而能夠在人體內(nèi)外直接打印可穿戴電子設(shè)備和生物材料。