克拉克森大學(xué)開(kāi)發(fā)3D打印可穿戴生物傳感器用于防曬

2020年11月25日，南極熊獲悉，紐約克拉克森大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種定制的生物墨水，并部署到了一系列皮膚相容的3D打印生物傳感器中。

新穎的墨水設(shè)計(jì)包括鈦納米顆粒，一旦暴露在紫外線輻射下，就會(huì)啟動(dòng)與彩色染料的光催化反應(yīng)，使凝膠改變顏色。利用他們的新混合物，科學(xué)家們已經(jīng)能夠3D打印皮膚友好的生物傳感器，使用戶能夠最大限度地減少過(guò)度暴露于太陽(yáng)光線所造成的任何損害。

論文作者之一Silvana Andreescu說(shuō)："我們決定探索3D生物打印的能力，以制造這些可穿戴戴的紫外線傳感器，因?yàn)?D打印機(jī)已經(jīng)變得便宜和容易獲得。當(dāng)傳感器的鈦被來(lái)自太陽(yáng)的紫外線激活時(shí)，染料會(huì)反應(yīng)并改變顏色。"

△克拉克森團(tuán)隊(duì)新穎的生物墨水使他們能夠制造出一系列對(duì)紫外線敏感的生物傳感器，圖片來(lái)自《應(yīng)用材料與界面》雜志

紫外線問(wèn)題的增材制造解決方案

根據(jù)美國(guó)癌癥協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，每年有170萬(wàn)美國(guó)人被診斷為皮膚癌，而僅在2020年，黑色素瘤就導(dǎo)致其中約6850名患者死亡。因此，監(jiān)測(cè)人們所受到的紫外線水平是目前一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，但這也是一個(gè)非常困難的領(lǐng)域，因?yàn)樽贤饩�輻射的行為是間歇性的。

為了充分了解紫外線的空間和時(shí)間變化，克拉克森團(tuán)隊(duì)認(rèn)為需要一種快速和低成本的檢測(cè)技術(shù)。有幾種方法認(rèn)為是可行的，如3D打印和注射成型，但研究人員選擇了3D打印，因?yàn)樗�的成本較低，可定制且容易獲得。

更重要的是，生物打印正越來(lái)越多地被用于創(chuàng)建具有生物功能的組織結(jié)構(gòu)，成為生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)的紫外線激活生物傳感器的理想選擇。然而，在選擇了生產(chǎn)方法后，團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)需要一種新的生物相容性油墨，以實(shí)現(xiàn)所需的持續(xù)安全皮膚接觸。

△傳感器的鈦粒子如何對(duì)紫外線照射做出反應(yīng)的可視化表示，圖片來(lái)自《應(yīng)用材料與界面》雜志

克拉克森團(tuán)隊(duì)的生物墨水

為了使他們的生物傳感器成為可能，科學(xué)家們首先要?jiǎng)?chuàng)造出一種由光活性二氧化鈦（TiO2）納米顆粒和多色染料組成的新型生物墨水，并分散在水凝膠中。此外，還加入了海藻酸鹽和明膠，以賦予3D打印所需的粘度，以及凝膠狀的質(zhì)地，從而具有機(jī)械穩(wěn)定性。

選擇TiO2是因?yàn)樗�的光催化能力，能夠通過(guò)一系列的還原-氧化鏈反應(yīng)來(lái)分解有機(jī)材料。在這一機(jī)制中，一旦暴露在紫外線輻射下，團(tuán)隊(duì)試圖啟動(dòng)傳感器中的綠色、橙色和藍(lán)色染料的分解。

在科學(xué)家們使用CAD軟件優(yōu)化了設(shè)備設(shè)計(jì)之后，他們利用Allevi 2 3D生物打印機(jī)制造了一系列基本原型，然后轉(zhuǎn)入測(cè)試。為了評(píng)估3D打印設(shè)備的機(jī)械穩(wěn)定性和均勻性，團(tuán)隊(duì)將沿五個(gè)不同的點(diǎn)進(jìn)行納米壓痕測(cè)試。

研究人員使用Allevi 2 3D打印機(jī) 3D打印了他們基于生物聚合物的傳感器，圖片來(lái)自Allevi Inc.

結(jié)果顯示，模型之間的硬度偏差很低，它們具有很強(qiáng)的機(jī)械性能，并反映了TiO2顆粒的高分布。在最終產(chǎn)品測(cè)試過(guò)程中，傳感器還表現(xiàn)出了一個(gè)奇怪的行為：不同顏色的染料在相同水平的紫外線照射下以不同的速度降解。

基于這一發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，他們的設(shè)備可以根據(jù)佩戴者的皮膚敏感度或黑色素水平進(jìn)行定制，以滿足個(gè)人護(hù)膚需求。

無(wú)論是哪種方式，無(wú)論是在醫(yī)療還是防曬護(hù)理環(huán)境中，團(tuán)隊(duì)認(rèn)為他們的生物墨水和生物傳感器是一種低成本、可獲得和可定制的解決方案。

身體監(jiān)測(cè)和增材制造生物傳感器

研究人員近年來(lái)開(kāi)發(fā)出了多種3D打印生物傳感器，有可能讓用戶密切監(jiān)測(cè)自己的身體健康狀況。

來(lái)自成均館大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)生產(chǎn)出了一種帶有糖基支架的有機(jī)硅彈性體，可以作為制造可穿戴醫(yī)療生物傳感器的基礎(chǔ)。事實(shí)證明，這些設(shè)備對(duì)志愿者的皮膚下、肌肉中和大腦中的微小電信號(hào)變化高度敏感。

華盛頓州立大學(xué)(WSU)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)為糖尿病患者制造了一種葡萄糖篩查設(shè)備。新穎的用戶專用生物傳感器能夠被轉(zhuǎn)移到皮膚上，并被證明能夠貼合人體曲線。

同時(shí)，CCDC士兵中心的研究人員還制造了生物傳感器，能夠從生理上跟蹤美軍的安康狀況。這種微流體裝置也有可能應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)，作為保護(hù)士兵免受情境威脅的一種手段。

研究人員的研究結(jié)果詳見(jiàn)其題為 "3D Printed Hydrogel-Based Sensors for Quantifying UV Exposure "的論文，該論文由Abraham Samuel Finny、Cindy Jiang和Silvana Andreescu共同撰寫(xiě)。


編譯自：3dprintingindustry