3D打印在病原體檢測中的應用

醫(yī)療保健和食品安全等行業(yè)，病原體檢測至關重要。越快檢測出有害細菌或其他微生物，越能有效保護公眾免受疾病和污染的侵害。每年，全球數(shù)百萬人因食源性病原體而患病，其中高達數(shù)千人死亡。因此，提高檢測方法的效率至關重要。而如今，3D打印在加快、降低成本和提高病原體檢測效率方面，扮演著重要角色。



3D打印技術助力創(chuàng)新

最近的兩項進展，展示了3D打印如何幫助研究人員創(chuàng)造更精準且成本更低的病原體檢測工具。

● 表面印跡聚合物（SIPs）：這種材料表面具有與特定細菌形狀匹配的微型模具，從而能夠捕捉并檢測這些細菌。日本沖繩科學技術研究院的研究人員利用3D打印技術制造這些聚合物并整合到傳感器或設備中，用于檢測食品或水中的有害細菌。
● 一種可以同時檢測多種食源性細菌的3D打印微流控芯片。這項技術由中國廣東工業(yè)大學和上海浦東新區(qū)人民醫(yī)院共同開發(fā)，利用微型通道和傳感器快速識別食品樣本中的大腸桿菌和沙門氏菌。這一技術加快了檢測過程，提高了準確性，使食品安全保障變得更加容易。

技術創(chuàng)新與成本效益


△ 印章上的細菌分布方案。

3D打印技術的應用不僅提高了檢測的速度和準確性，還顯著降低了成本。傳統(tǒng)的病原體檢測方法通常需要昂貴的設備，如PCR機器和流式細胞儀，這些設備的價格從數(shù)萬美元到數(shù)十萬美元不等。此外，這些設備還需要專業(yè)人員操作，增加了檢測的復雜性和成本。而3D打印技術則使用更便宜且易得的材料，如透明樹脂，并通過SLA 3D打印機逐層固化液態(tài)樹脂，創(chuàng)造出精確的細菌模具。這種方法不僅降低了生產(chǎn)成本，還減少了手動合成聚合物的勞動強度和錯誤率，使更多公司和實驗室能夠在預算內(nèi)使用先進的檢測技術。

精準度與靈敏度并重


△ 通過接觸印刷法利用分子印記制備SIP的一般方案。

無論是3D打印的表面印跡聚合物還是芯片傳感器，在檢測病原體方面均展現(xiàn)出高度精準度和靈敏度。SIPs使用表面印跡法，在聚合物表面創(chuàng)建與所設計檢測細菌形狀精確匹配的微小空腔，使其能夠準確捕捉目標細菌。這種精確度有效防止了其他非有害細菌干擾檢測結(jié)果，從而避免了誤報。

3D打印芯片的靈敏度也非常高，能夠檢測到每毫升樣品中僅10個菌落形成單位（CFU/mL）的病原體，遠低于可引發(fā)人體疾病的細菌數(shù)量，這使得芯片成為食品安全應用中的優(yōu)秀早期檢測工具。通過及早發(fā)現(xiàn)污染，企業(yè)可以迅速采取行動，防止食源性疾病的爆發(fā)。

廣泛的應用前景


△ 帶有四個主要領域的芯片插圖以及止閥操作的草圖。

3D打印讓這些病原體檢測工具能夠在多個行業(yè)和應用中使用，例如，在醫(yī)療診斷、環(huán)境監(jiān)測和生物技術領域。由于SIPs被設計用于檢測細菌，可以用于監(jiān)測水源、追蹤土壤中的細菌污染，甚至在工業(yè)發(fā)酵過程中協(xié)助控制細菌生長。同樣，3D打印芯片傳感器在食品安全行業(yè)中頗具價值，可用于測試從生肉到加工食品的多種產(chǎn)品。其同時檢測多種病原體的能力非常適合大規(guī)模測試，減少了確保食品安全所需的時間和成本。此外，由于3D打印允許快速定制，SIPs和芯片可以根據(jù)不同行業(yè)的特定需求，調(diào)整以檢測不同類型的病原體。這種靈活性使得3D打印技術在病原體檢測領域的應用前景更加廣闊。

速度與效率的提升


△ 表面印刷聚合物。

在病原體檢測中，速度至關重要，因為延誤可能導致廣泛的污染和疾病。傳統(tǒng)方法如細胞培養(yǎng)和DNA測序需要較長時間才能產(chǎn)生結(jié)果。而3D打印的SIPs可以在不到六小時內(nèi)制成，并且比舊方法需要更少的人工操作時間。3D打印芯片的效率也大大提高。研究人員表示，芯片可以通過停閥系統(tǒng)自動將食品樣品移動到傳感器上，加快了檢測過程。該系統(tǒng)允許同時快速測試多種病原體，大大縮短了食品安全檢測所需的時間。

這些在病原體檢測方面的進步，再次證明了3D打印技術的潛力。事實上，3D打印技術不斷展示其潛力，提供更快速、更便宜和更精確的解決方案。隨著技術的不斷發(fā)展，3D打印技術在不同產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮的潛力愈加明顯，證明其在應對現(xiàn)實挑戰(zhàn)中的重要性。