3D打印在病原體檢測(cè)中的應(yīng)用

醫(yī)療保健和食品安全等行業(yè)，病原體檢測(cè)至關(guān)重要。越快檢測(cè)出有害細(xì)菌或其他微生物，越能有效保護(hù)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(dá)數(shù)千人死亡。因此，提高檢測(cè)方法的效率至關(guān)重要。而如今，3D打印在加快、降低成本和提高病原體檢測(cè)效率方面，扮演著重要角色。



3D打印技術(shù)助力創(chuàng)新

最近的兩項(xiàng)進(jìn)展，展示了3D打印如何幫助研究人員創(chuàng)造更精準(zhǔn)且成本更低的病原體檢測(cè)工具。

● 表面印跡聚合物（SIPs）：這種材料表面具有與特定細(xì)菌形狀匹配的微型模具，從而能夠捕捉并檢測(cè)這些細(xì)菌。日本沖繩科學(xué)技術(shù)研究院的研究人員利用3D打印技術(shù)制造這些聚合物并整合到傳感器或設(shè)備中，用于檢測(cè)食品或水中的有害細(xì)菌。
● 一種可以同時(shí)檢測(cè)多種食源性細(xì)菌的3D打印微流控芯片。這項(xiàng)技術(shù)由中國(guó)廣東工業(yè)大學(xué)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(shí)別食品樣本中的大腸桿菌和沙門氏菌。這一技術(shù)加快了檢測(cè)過程，提高了準(zhǔn)確性，使食品安全保障變得更加容易。

技術(shù)創(chuàng)新與成本效益


△ 印章上的細(xì)菌分布方案。

3D打印技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了檢測(cè)的速度和準(zhǔn)確性，還顯著降低了成本。傳統(tǒng)的病原體檢測(cè)方法通常需要昂貴的設(shè)備，如PCR機(jī)器和流式細(xì)胞儀，這些設(shè)備的價(jià)格從數(shù)萬美元到數(shù)十萬美元不等。此外，這些設(shè)備還需要專業(yè)人員操作，增加了檢測(cè)的復(fù)雜性和成本。而3D打印技術(shù)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(jī)逐層固化液態(tài)樹脂，創(chuàng)造出精確的細(xì)菌模具。這種方法不僅降低了生產(chǎn)成本，還減少了手動(dòng)合成聚合物的勞動(dòng)強(qiáng)度和錯(cuò)誤率，使更多公司和實(shí)驗(yàn)室能夠在預(yù)算內(nèi)使用先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)。

精準(zhǔn)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(cè)病原體方面均展現(xiàn)出高度精準(zhǔn)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(shè)計(jì)檢測(cè)細(xì)菌形狀精確匹配的微小空腔，使其能夠準(zhǔn)確捕捉目標(biāo)細(xì)菌。這種精確度有效防止了其他非有害細(xì)菌干擾檢測(cè)結(jié)果，從而避免了誤報(bào)。

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

廣泛的應(yīng)用前景


△ 帶有四個(gè)主要領(lǐng)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(cè)工具能夠在多個(gè)行業(yè)和應(yīng)用中使用，例如，在醫(yī)療診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)和生物技術(shù)領(lǐng)域。由于SIPs被設(shè)計(jì)用于檢測(cè)細(xì)菌，可以用于監(jiān)測(cè)水源、追蹤土壤中的細(xì)菌污染，甚至在工業(yè)發(fā)酵過程中協(xié)助控制細(xì)菌生長(zhǎng)。同樣，3D打印芯片傳感器在食品安全行業(yè)中頗具價(jià)值，可用于測(cè)試從生肉到加工食品的多種產(chǎn)品。其同時(shí)檢測(cè)多種病原體的能力非常適合大規(guī)模測(cè)試，減少了確保食品安全所需的時(shí)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(cè)不同類型的病原體。這種靈活性使得3D打印技術(shù)在病原體檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)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(cè)中，速度至關(guān)重要，因?yàn)檠诱`可能導(dǎo)致廣泛的污染和疾病。傳統(tǒng)方法如細(xì)胞培養(yǎng)和DNA測(cè)序需要較長(zhǎng)時(shí)間才能產(chǎn)生結(jié)果。而3D打印的SIPs可以在不到六小時(shí)內(nèi)制成，并且比舊方法需要更少的人工操作時(shí)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(dòng)將食品樣品移動(dòng)到傳感器上，加快了檢測(cè)過程。該系統(tǒng)允許同時(shí)快速測(cè)試多種病原體，大大縮短了食品安全檢測(cè)所需的時(shí)間。

這些在病原體檢測(cè)方面的進(jìn)步，再次證明了3D打印技術(shù)的潛力。事實(shí)上，3D打印技術(shù)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(shù)的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)在不同產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮的潛力愈加明顯，證明其在應(yīng)對(duì)現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)中的重要性。