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克拉克森大学开发了3D打印可穿戴生物传感器

赵师傅
2020-11-24 13:27:52

来自纽约克拉克森大学的研究人员已经开发了一种定制的生物墨水,并将其部署到了一系列与皮肤兼容的3D打印生物传感器中。 

 

该团队的新颖墨水设计包括钛纳米颗粒,该纳米颗粒一旦暴露于紫外线下,就会与有色染料发生光催化反应,从而导致凝胶变色。利用他们的新混合物,科学家们能够对皮肤友好的生物传感器进行3D打印,从而使用户能够将因过度暴露于太阳光线而造成的任何损害降至最低。

 

该论文的作者之一西尔瓦娜·安德列斯库(Silvana Andreescu)表示:“由于3D打印机变得便宜且易于使用,我们决定探索3D生物打印制造这些可穿戴的紫外线响应传感器的能力。” “当[传感器的]钛被紫外线(例如来自太阳)激活时,染料会降解并改变颜色,表明已暴露。”

3D打印

克拉克森团队的新型生物墨水使他们能够制造一系列对紫外线敏感的生物传感器。照片通过“应用材料和界面”期刊获得。

 

解决紫外线问题的添加剂

 

根据美国癌症协会的数据,每年有170万美国人被诊断出患有皮肤癌,仅到2020年,黑色素瘤就将杀死约6,850名此类患者。因此,监视人们暴露于紫外线下的水平现在是一个重要的研究领域,但这也是一个非常困难的领域,因为紫外线的行为是间歇性的。 

 

为了充分了解紫外线的时空变化,克拉克森团队确定了对快速低成本的检测技术的需求。3D打印和注塑成型等几种方法被认为是可行的,但研究人员之所以选择前者,是因为其成本较低,可定制选项和总体可访问性。 

 

此外,越来越多地使用生物打印来创建具有生物学功能的组织结构,使其成为生产该团队的紫外线激活生物传感器的理想选择。但是,在选择了理想的生产方法后,该团队还发现需要一种新的生物相容性墨水,以实现所需的持续安全的皮肤接触。 

3D打印

传感器钛颗粒对紫外线的反应的直观表示。图片来自“应用材料和界面”期刊。

 

克拉克森团队的反应性生物墨水

 

为了使他们的生物传感器成为可能,科学家首先必须创建一种新型的生物墨水,该生物墨水由光敏性二氧化钛(TiO2)纳米粒子和分散在水凝胶中的多色染料组成。还向混合物中添加了藻酸盐和明胶,以使其具有3D打印所需的粘度,并具有类似凝胶的质地,使其具有机械稳定性。 

 

选择TiO2是因为它具有光催化能力,这使其能够通过一系列还原-氧化链反应分解有机材料。在此机制的缩小版本中,研究小组寻求在暴露于紫外线辐射后引发传感器中绿色,橙色和蓝色染料的分解。 

 

在科学家使用CAD软件优化设备设计之后,他们利用Allevi 2 3D生物打印机制造了一系列基本原型,然后进行测试。为了评估其3D打印设备的机械稳定性和均匀性,研究小组沿五个不同点对它们进行了纳米压痕。 

3D打印

研究人员使用Allevi 2 3D打印机3D打印了他们基于生物聚合物的传感器。图片来自Allevi Inc.

 

结果表明,模型之间的硬度偏差较小,表明它们具有很强的机械性能,并反映了TiO2颗粒的高分布。在最终产品测试期间,这些传感器还表现出一种奇怪的行为:不同颜色的染料以不同的速率降解至相同的紫外线暴露水平。 

 

根据他们的发现,研究小组得出结论,可以根据佩戴者的皮肤敏感性或黑色素水平定制其设备,以解决其个人护肤需求。此外,科学家发现他们的传感器具有指示一件衣服或工具是否已暴露于足以被视为消毒的紫外线水平的能力。

 

无论采用哪种方法,无论是在医疗环境中还是在防晒环境中,研究小组都认为他们的生物墨水和生物传感器是一种低成本,可访问且可定制的解决方案,可以证明是未来研究的宝贵平台。  

 

人体监测和附加生物传感器

 

近年来,研究人员开发了各种3D打印生物传感器,这些传感器可能使用户能够密切监视其身体健康。 

 

成均馆大学的科学家已经生产出了一种以糖为基础的有机硅弹性体,可以用作制造可穿戴医疗生物传感器的基础。这些设备被证明对志愿者的皮肤,肌肉和脑部的微小电信号变化高度敏感。 

 

华盛顿州立大学(WSU)的一个团队利用3D打印技术为糖尿病患者创建了一种葡萄糖筛查设备。新型的用户专用生物传感器能够转移到皮肤上,并被证明能够拟合人体的曲线。

同时,CCDC士兵中心的研究人员已经制造出生物传感器,该传感器可以生理追踪美军的健康状况。微流控设备也有可能在现场应用,作为保护士兵免受局势威胁的一种手段。 

 

研究人员的发现在其名为“用于量化紫外线暴露的基于3D打印的水凝胶的传感器”的论文中得到了详细介绍,该论文由亚伯拉罕·塞缪尔·芬尼(Abraham Samuel Finny),辛迪·姜(Cindy Jiang)和西尔瓦娜·安德列斯库(Silvana Andreescu)合着。 

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