《AHM》綜述：3D打印生物材料在醫(yī)療衛(wèi)生的應用

來源： EFL生物3D打印與生物制造

隨著人口壽命的延長和生活質量的提高，對健康監(jiān)測和疾病治療的需求不斷增長，3D打印技術以其在快速原型制作和定制化生產(chǎn)方面的顯著優(yōu)勢，成為生物醫(yī)學領域中聚合物生物材料應用的重要工具，尤其在個性化醫(yī)療設備、組織工程和藥物遞送系統(tǒng)等方面展現(xiàn)出巨大潛力。

亞利桑那州立大學宋克男團隊探討了不同3D打印技術與生物材料的兼容性，以及這些技術在生物傳感器、生物執(zhí)行器、軟機器人、能量存儲系統(tǒng)和自供能設備等領域的應用。

1.主要內容   

圖1 3D打印方法用于健康應用

常用于健康應用的3D打印方法，包括熔融沉積建模（FDM）、直接墨水書寫（DIW）、立體光刻（SLA）、數(shù)字光處理（DLP）、選擇性激光燒結（SLS）和噴墨/層壓制造（Inkjet printing/LOM），這些技術通過不同的打印機制實現(xiàn)材料的逐層沉積，從而構建出復雜的3D結構，它們在生物醫(yī)學領域中具有廣泛的應用前景，包括定制化醫(yī)療設備、組織工程和藥物遞送系統(tǒng)等。   

圖2 3D打印技術在制造電阻/導電傳感器、電容傳感器以及微流體檢測器和分離器方面的應用

3D打印技術在健康監(jiān)測傳感器領域的應用實例，包括利用電靜力/導電傳感器（如基于PEO/PANI/Graphene的柔性壓力傳感器）、離子傳感器（如通過SLA打印的離子裝置）和電容傳感器（如基于Ecoflex的微結構電容式壓力傳感器），這些傳感器能夠監(jiān)測生理參數(shù)變化，如壓力、運動和呼吸模式，體現(xiàn)了3D打印在制造定制化、高精度健康監(jiān)測設備方面的優(yōu)勢。

圖3 3D打印技術在微流體檢測器和分離器中的應用

3D打印技術在微流體裝置領域的應用，包括用于抗菌藥物敏感性測試的三維微流體濃度梯度生成器（μ-CGG）、用于分離循環(huán)腫瘤細胞（CTCs）的微流體設備，以及集成了微流體平臺和光子硅芯片的系統(tǒng)，這些設備能夠實現(xiàn)對藥物濃度梯度的精確控制、提高腫瘤細胞捕獲效率以及快速確定抗生素的最小抑制濃度（MIC），從而在疾病檢測、癌癥診斷和個性化醫(yī)療治療中發(fā)揮重要作用。   

圖4 3D打印技術在制造可穿戴汗液傳感器方面的應用

3D打印技術在可穿戴微流體傳感器領域的應用，包括用于實時監(jiān)測汗液中電解質水平的生物電子貼片和能夠順序收集不同時間段汗液以分析氯離子濃度的“Sweatainer”系統(tǒng)，這些設備通過精確控制微流體通道和結構的設計，實現(xiàn)了非侵入式健康監(jiān)測，為個性化醫(yī)療和運動生理狀態(tài)評估提供了新的途徑。   

圖5 3D打印技術在開發(fā)多種微針傳感器方面的應用

3D打印技術在制造微針（MNs）傳感器方面的應用，包括用于監(jiān)測皮膚間質液pH值的微針pH傳感器、基于響應血糖水平釋放胰島素的微針貼片，以及用于實時監(jiān)測皮下葡萄糖水平的微針生物傳感器，這些設備的開發(fā)體現(xiàn)了3D打印在個性化醫(yī)療設備和非侵入性健康監(jiān)測領域的巨大潛力。  

圖6 3D打印技術在制造具有模仿生物運動能力的生物執(zhí)行器及其在健康應用中的潛力

3D打印技術在制造生物執(zhí)行器（bioactuators）方面的先進應用，包括通過立體光刻（SLA）技術制造的多材料微執(zhí)行器芯片、對溫度和pH響應的多響應執(zhí)行器、具有扭曲模式的多材料直接墨水書寫（DIW）執(zhí)行器，以及集成了傳感器的軟體執(zhí)行器，這些執(zhí)行器能夠模擬生物運動，用于軟機器人、人工肌肉、藥物遞送載體等健康應用領域，體現(xiàn)了3D打印在定制化和功能化生物執(zhí)行器設計中的關鍵作用。   

圖7 3D打印技術在可穿戴軟機器人領域的創(chuàng)新應用

3D打印技術在可穿戴軟機器人領域的創(chuàng)新應用，包括能夠執(zhí)行實際任務的FDM打印的假手、基于FDM制造的用于康復訓練的手套，以及集成了流體電路的完全3D打印的軟機器人系統(tǒng)，這些設備通過精確控制流體流動來模擬手指運動和執(zhí)行復雜任務，如玩視頻游戲，從而在輔助設備、康復工具以及獨立系統(tǒng)等方面展現(xiàn)了3D打印技術在提高生活質量和醫(yī)療應用中的潛力。   

圖8 3D打印技術在制造自供能設備方面的應用

3D打印技術在制造自供能設備方面的應用，包括模仿魚鰓結構的熱電發(fā)生器、基于微連續(xù)液界面生產(chǎn)（μCLIP）技術的壓電傳感器、用于人體動脈中監(jiān)測血栓的壓電傳感器，以及能夠捕捉手部運動的摩擦電傳感器，這些設備能夠將機械能轉換為電能，為可穿戴設備和植入式醫(yī)療設備提供能量，展示了3D打印在提升能源效率和促進個性化醫(yī)療設備發(fā)展中的重要性。   

圖9 數(shù)據(jù)科學在3D生物打印中的應用

匯總了數(shù)據(jù)科學在3D生物打印中的應用，包括利用機器學習預測墨水力學性能與打印性的關系、貝葉斯優(yōu)化框架評估打印性并優(yōu)化材料配方、Hotelling T2控制圖檢測打印異常以及圖像和數(shù)據(jù)處理分析打印線條的方法，這些技術的應用提高了打印過程的自動化質量控制和過程優(yōu)化，推動了生物打印技術在再生醫(yī)學領域的發(fā)展。   

2.全文總結
全文綜述了3D打印技術與聚合物生物材料結合在生物醫(yī)學領域的應用，包括多種3D打印技術如FDM、DIW、SLA、DLP、SLS等，以及它們與合成和天然生物材料的兼容性，重點探討了這些技術在制造生物傳感器、生物執(zhí)行器、軟機器人、能量存儲系統(tǒng)、自供能設備以及數(shù)據(jù)科學在生物繪圖中的應用，并討論了面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展的前景，強調了3D打印技術在個性化醫(yī)療和再生醫(yī)學中的巨大潛力。

文章來源：https://doi.org/10.1002/adhm.202402571