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3D打印《Science》子刊:在活體器官上原位 3D 打印可變形水凝膠傳感器!

2020-08-06  2088

近年來,3D打印技術得到了飛速的發展,從起初的打印塑料制品到現如今的導體、半導體、生物材料等,其便捷、出色的制造能力使其在各個領域都備受關注。尤其是在醫學領域,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學裝置,從而實現對患者的實時監測與傷口治療。然而,在實際的醫學應用中,目標活體生物的表面通常是柔軟的,而且在不停地運動和變形。這種隨時間變化的幾何結構從根本上限制了當前以開環系統為基礎的現有3D打印系統的應用。該類系統需要先在校準的平面基板上進行離線制造,然后再將其轉移到目標生物的表面,因此不適用于非平面、動態變形的器官。此外,打印成型的生物傳感器在后續人工處理、運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,希望能研發一種能適應生物表面各種變形的原位3D打印技術。

美國明尼蘇達大學Michael C. McAlpine等人開發了一種原位3D打印系統,該系統可以實時估算目標表面的運動和變形,并利用此打印系統將傳感器打印在呼吸誘導變形的豬肺上。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(EIT)提供變形的連續空間映射。由于離子水凝膠具有高透明度、可拉伸性、導電性、高速響應等優勢,與采用其他材料EIT方法的工作相比,該技術具有對軟組織的理想機械適應性等優勢。這種自適應的3D打印方法可以運用于機器人輔助的醫學治療,從而能夠在人體內外直接打印可穿戴電子設備和生物材料。該研究以題為“3D printed deformable sensors”的論文發表在《Science Advances》上。

【實時3D表面追蹤】

該研究創造性地提出了一種新的打印程序,通過將視覺傳感系統與3D打印機集成在一起來追蹤隨時間變化的3D幾何形狀,從而在可變形的肺部上制造EIT應變傳感器。該工作首先從預先掃描的數據集中離線學習了表面幾何圖形的低維參數模型,以降低后續在線計算的復雜程度。然后通過使用由立體相機實時監測的一組稀疏基準標記來估計離線學習模型中的參數,從而在線恢復了保形刀具路徑的幾何形狀。對于離線學習,該工作采用了具有亞毫米級精度和分辨率的結構光3D掃描儀,通過3D掃描儀對帶有基準標記的肺進行了多個高保真3D掃描(圖1A)。隨后打印的EIT應變傳感器能適應肺部變形,提供肺部變形的原位圖像。該研究采用基準標記系統來提高穩定性和準確性,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】

離子水凝膠優異的可拉伸性、透明性、導電性使其成為EIT大應變傳感的理想選擇。與其他復合材料(如碳嵌入的彈性體)在瞬態激發下表現出非線性的、不可逆的電導率響應相比,離子水凝膠的電導率與拉伸無關,因此可實現可重復且穩定的應變讀取,且無需復雜的算法來補償材料電導率的非線性。該研究采用氯化鋰(LiCl)進行離子傳導,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。該水凝膠在剪切速率超過0.1 s-1時,隨著粘度的降低,發生了剪切稀化行為。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。使用紫外光交聯后,單軸拉伸的測試結果表明水凝膠顯示出類似組織的拉伸特性。

圖2 EIT變形傳感器的設計與表征

【原位變形監測】

首先,通過生物相容性粘合劑將時間跟蹤標記附著到肺表面,然后通過結構化光掃描儀對每個變形狀態下的表面幾何形狀進行采樣,以形成用于機器學習算法的數據集,從而學習變形模型(圖3A)。EIT變形傳感器的自適應3D打印僅基于來自跟蹤攝像機(圖3B)的實時圖像和學習到的變形模型,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(圖3E)。通過在紫外光固化過程中形成硅酮-水凝膠鍵合,可以獲得穩定的水凝膠-電極界面。該EIT傳感器在反復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記以及生物相容性粘合劑,而不會留下任何明顯的殘留物。

圖3在豬肺上3D打印以進行變形過程中的原位監測

總結:作者在動態變形的呼吸肺上進行了原位3D打印,并采用水凝膠傳感器進行肺變形的原位監測。這種基于水凝膠的EIT傳感器的獨特設計使得該系統可以適應目標表面的變形和運動。作者通過結合“離線”機器學習與“在線”基于計算機視覺的跟蹤,實現了以動態點云的形式估算表面變形的方法。在傳感器設計中,該研究集成了具有EIT感應配置的導電水凝膠,以實現可拉伸應變傳感器的增材制造,并具有對肺表面良好的機械適應性和出色的感應分辨率。這種自適應的3D打印方法可以運用于機器人輔助的醫學治療,從而能夠在人體內外直接打印可穿戴電子設備和生物材料。

來源:高分子科學前沿



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