《Science》子刊:在活體器官上原位3D打印可變形水凝膠傳感器!

近年來(lái),3D打印技術(shù)得到了飛速的發(fā)展,從起初的打印塑料制品到現(xiàn)如今的導(dǎo)體、半導(dǎo)體、生物材料等,其便捷、出色的制造能力使其在各個(gè)領(lǐng)域都備受關(guān)注。尤其是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(yī)學(xué)裝置,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)患者的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與傷口治療。然而,在實(shí)際的醫(yī)學(xué)應(yīng)用中,目標(biāo)活體生物的表面通常是柔軟的,而且在不停地運(yùn)動(dòng)和變形。這種隨時(shí)間變化的幾何結(jié)構(gòu)從根本上限制了當(dāng)前以開(kāi)環(huán)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的現(xiàn)有3D打印系統(tǒng)的應(yīng)用。該類(lèi)系統(tǒng)需要先在校準(zhǔn)的平面基板上進(jìn)行離線制造,然后再將其轉(zhuǎn)移到目標(biāo)生物的表面,因此不適用于非平面、動(dòng)態(tài)變形的器官。此外,打印成型的生物傳感器在后續(xù)人工處理、運(yùn)輸和移植過(guò)程中容易受到破壞和污染,并且存在著不可避免的各類(lèi)誤差。因此,希望能研發(fā)一種能適應(yīng)生物表面各種變形的原位3D打印技術(shù)。

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美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)Michael C. McAlpine等人開(kāi)發(fā)了一種原位3D打印系統(tǒng),該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)估算目標(biāo)表面的運(yùn)動(dòng)和變形,并利用此打印系統(tǒng)將傳感器打印在呼吸誘導(dǎo)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(guò)電阻抗斷層掃描技術(shù)(EIT)提供變形的連續(xù)空間映射。由于離子水凝膠具有高透明度、可拉伸性、導(dǎo)電性高速響應(yīng)等優(yōu)勢(shì),與采用其他材料EIT方法的工作相比,該技術(shù)具有對(duì)軟組織的理想機(jī)械適應(yīng)性等優(yōu)勢(shì)。這種自適應(yīng)的3D打印方法可以運(yùn)用于機(jī)器人輔助的醫(yī)學(xué)治療,從而能夠在人體內(nèi)外直接打印可穿戴電子設(shè)備和生物材料。該研究以題為“3D printed deformable sensors”的論文發(fā)表在《Science Advances》上。

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【實(shí)時(shí)3D表面追蹤】

該研究創(chuàng)造性地提出了一種新的打印程序,通過(guò)將視覺(jué)傳感系統(tǒng)與3D打印機(jī)集成在一起來(lái)追蹤隨時(shí)間變化的3D幾何形狀,從而在可變形的肺部上制造EIT應(yīng)變傳感器。該工作首先從預(yù)先掃描的數(shù)據(jù)集中離線學(xué)習(xí)了表面幾何圖形的低維參數(shù)模型,以降低后續(xù)在線計(jì)算的復(fù)雜程度。然后通過(guò)使用由立體相機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的一組稀疏基準(zhǔn)標(biāo)記來(lái)估計(jì)離線學(xué)習(xí)模型中的參數(shù),從而在線恢復(fù)了保形刀具路徑的幾何形狀。對(duì)于離線學(xué)習(xí),該工作采用了具有亞毫米級(jí)精度和分辨率的結(jié)構(gòu)光3D掃描儀,通過(guò)3D掃描儀對(duì)帶有基準(zhǔn)標(biāo)記的肺進(jìn)行了多個(gè)高保真3D掃描(圖1A)。隨后打印的EIT應(yīng)變傳感器能適應(yīng)肺部變形,提供肺部變形的原位圖像。該研究采用基準(zhǔn)標(biāo)記系統(tǒng)來(lái)提高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,以追蹤無(wú)紋理的表面或具有稀疏特征和鏡面反射的表面。

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圖1 肺部EIT傳感器的原位3D打印過(guò)程

 

【離子水凝膠】

離子水凝膠優(yōu)異的可拉伸性、透明性、導(dǎo)電性使其成為EIT大應(yīng)變傳感的理想選擇。與其他復(fù)合材料(如碳嵌入的彈性體)在瞬態(tài)激發(fā)下表現(xiàn)出非線性的、不可逆的電導(dǎo)率響應(yīng)相比,離子水凝膠的電導(dǎo)率與拉伸無(wú)關(guān),因此可實(shí)現(xiàn)可重復(fù)且穩(wěn)定的應(yīng)變讀取,且無(wú)需復(fù)雜的算法來(lái)補(bǔ)償材料電導(dǎo)率的非線性。該研究采用氯化鋰(LiCl)進(jìn)行離子傳導(dǎo),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(zhì)。該水凝膠在剪切速率超過(guò)0.1 s-1時(shí),隨著粘度的降低,發(fā)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(lián)后,單軸拉伸的測(cè)試結(jié)果表明水凝膠顯示出類(lèi)似組織的拉伸特性。

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圖2 EIT變形傳感器的設(shè)計(jì)與表征

 

【原位變形監(jiān)測(cè)】

首先,通過(guò)生物相容性粘合劑將時(shí)間跟蹤標(biāo)記附著到肺表面,然后通過(guò)結(jié)構(gòu)化光掃描儀對(duì)每個(gè)變形狀態(tài)下的表面幾何形狀進(jìn)行采樣,以形成用于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的數(shù)據(jù)集,從而學(xué)習(xí)變形模型(圖3A)。EIT變形傳感器的自適應(yīng)3D打印僅基于來(lái)自跟蹤攝像機(jī)(圖3B)的實(shí)時(shí)圖像和學(xué)習(xí)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(huán)中的電極連接到印刷層上,并暴露于UV光中來(lái)使水凝膠交聯(lián)(圖3E)。通過(guò)在紫外光固化過(guò)程中形成硅酮-水凝膠鍵合,可以獲得穩(wěn)定的水凝膠-電極界面。該EIT傳感器在反復(fù)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(biāo)記以及生物相容性粘合劑,而不會(huì)留下任何明顯的殘留物。

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圖3在豬肺上3D打印以進(jìn)行變形過(guò)程中的原位監(jiān)測(cè)

 

總結(jié):作者在動(dòng)態(tài)變形的呼吸肺上進(jìn)行了原位3D打印,并采用水凝膠傳感器進(jìn)行肺變形的原位監(jiān)測(cè)。這種基于水凝膠的EIT傳感器的獨(dú)特設(shè)計(jì)使得該系統(tǒng)可以適應(yīng)目標(biāo)表面的變形和運(yùn)動(dòng)。作者通過(guò)結(jié)合“離線”機(jī)器學(xué)習(xí)與“在線”基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的跟蹤,實(shí)現(xiàn)了以動(dòng)態(tài)點(diǎn)云的形式估算表面變形的方法。在傳感器設(shè)計(jì)中,該研究集成了具有EIT感應(yīng)配置的導(dǎo)電水凝膠,以實(shí)現(xiàn)可拉伸應(yīng)變傳感器的增材制造,并具有對(duì)肺表面良好的機(jī)械適應(yīng)性和出色的感應(yīng)分辨率。這種自適應(yīng)的3D打印方法可以運(yùn)用于機(jī)器人輔助的醫(yī)學(xué)治療,從而能夠在人體內(nèi)外直接打印可穿戴電子設(shè)備和生物材料。

原文鏈接:

https://advances.sciencemag.org/content/6/25/eaba5575

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