可实时监测脑动脉瘤的3D打印无线生物系统解析

来源：3D打印商情

近日，Robert Herbert，Saswat Mishra，Hyo-Ryoung Lim，Hyoungsuk Yoo和Woon-Hong Yeo等研究人员探索了一种新方法，用于创建可伸缩的无线电子设备，用于监测血流量，从而预防脑动脉瘤，继续推动医学领域3D打印与电子产品之间的进步。

他们在最近发表的论文《Fully Printed, Wireless, Stretchable Implantable Biosystem toward Batteryless, Real-Time Monitoring of Cerebral Aneurysm Hemodynamics》中概述了他们的研究细节，解释了他们新颖、优化的制造系统如何允许多层打印电容式流量传感器，可以通过导管部署，然后插入血管。



AJP制造和材料表征。A）使用气动雾化器（左）的AJP沉积PI的图示和图像。放大视图显示打印的PI轨迹（右）。B）使用超声雾化器的Ag沉积的概述（左）和PI上的图案化Ag的放大图（右）。C）动脉瘤模型中可植入流量传感器的AJP制造的图示。插图显示了传感器封装的多层结构。D）显示多层传感器结构的横截面SEM图像。E）打印（左）和烧结过程后的AgNP的SEM图像，显示簇（右）。F）X射线衍射仪表征玻璃载玻片上的烧结AgNP，PI上的底部Ag电极和PI上的顶部Ag电极。三种情况均未观察到晶体结构的变化。

科学家们指出，微加工技术在创造微型电子产品方面
取得了更大的进步，同时：
·柔软的材料
·可伸缩设备
·生物传感器
·外形小巧

用于在目标容器中进行导管部署的
印刷生物传感器的力学建模、制造和可靠性

用于在目标容器中进行导管部署的印刷生物传感器的力学建模、制造和可靠性。A）通过有限元建模设计高度可拉伸的传感器并与制造的传感器进行比较。 B，C）在循环弯曲和径向拉伸下测量的打印传感器的电阻，在两种负载条件下显示出可忽略的电阻变化。D）通过高度灵活和可拉伸的结构实现在目标血管中基于导管的制造传感器的部署。


然而，电子植入物在审视距离方面仍然较差。作者预测，未来的设备将是可伸缩的和无线的——不存在我们今天看到的刚性组件。“由于机械不匹配和笨重的包装，这些刚性部件与植入软组织或血管不相容。”研究人员表示。

无线监控将取决于集成高导电性元件的进一步发展。在预防脑动脉瘤方面，由于动脉狭窄，插入植入物一直具有挑战性。然而，监测是至关重要的，因为动脉瘤破裂可能导致死亡。


一种电感耦合方法的参数研究与优化

A）具有可植入流量传感器和两个外部天线线圈的无电池无线系统的示意图；B）设备概述和示例激励信号。接收的瞬态传感器信号因开启和关闭共振情况而异；C）最佳传感器线圈匝数的实验验证，以增加共振时的振幅；D）根据频率显示最大谐振的信号幅度，其中9匝励磁线圈和5匝接收线圈（蓝色曲线）；E）由于在感兴趣的频率范围内调谐天线线圈而使噪声最小化；F）信号幅度显示具有较厚Ag（多次通过）的传感器传输较大的共振峰；G）激励磁场强度与激励线圈相距1cm的比较，并且在20×20cm2的投影面积上平均，安全极限为1.6Am-1；H）CardioMEMS HF系统的运行ERP大于本工作中使用的5 V.I）传感器线圈和陶瓷电容器在不同条件下的体外测试，包括传感器线圈通过空气的频率扫描，可读取高达8cm；J）传感器线圈放入盐水溶液时可读取长达7厘米；K）传感器线圈，检测范围为肉体6厘米。

气溶胶喷射打印已被用于解决传统的挑战，利用3D打印的优势——从快速生产和可扩展的制造，到易于设计和更好的控制。然而，在此研究之前，AJP尚未用于制造此类电子产品。研究人员表示，在这项研究中，他们首次展示了一种支持AJP的高度可伸缩电容系统：“超低剖面和可拉伸结构使得该装置可以共形地集成到医用支架上，并通过传统的导管手术进行部署，利用新的电感耦合方法监测血液动力学，可以在超过现有设备的距离内对打印传感器进行无电池无线检测。”


在仿生血管模型中打印传感器性能的体外研究

A-C）动脉瘤模型中医疗支架集成传感器的照片，显示A）传感器的缩小概览，B）超薄、薄型传感器的倾斜，放大视图，以及C）a铜线圈连接传感器，用于仿生模型中的血液动力学无线监测。 D）传感器捕获的脉动流速，平均传感器电容随着流速从0.05（左）到0.35ms-1（右）而增加。图（右）表示由于动脉瘤流量增加引起的电容变化机制。E，F）平均电容随着E）流速在5mm容器中的增加而变化，以及F）在3.5mm容器中的较高流速。G）随着流速的增加，共振频率降低。 H）连续频率扫描，显示共振频率的变化。I）随着距离增加，共振时的峰值幅度减小;在不能观察到共振峰值之前实现6cm的询问距离。J）利用VNA监测谐振频率，降低读出距离（小于1 cm），表明优化的无线电感耦合方法的优越性。

在他们的研究中，作者完成了一系列优化参数的计算，而体外研究提供了有关无线检测中传感器线圈性能的数据。该团队使用脉动血泵测试血流、传感器和支架装置在开口处对齐，以允许入口和出口点穿过动脉瘤。最终，结果显示通过AJP创建“高性能可拉伸电子产品”的“可行性”。

“总体而言，这一结果与先前的工作完全一致，即使用计算流体模型将传感器偏转到电容变化。传感器的超薄、低轮廓形状因素避免了对正常血液动力学的破坏。”研究人员表示。

“对于无线监控，铜线圈外部连接到电容式传感器。在0.05ms-1间隔，5mm直径血管中的平均流速在0至0.35ms -1之间变化。初始传感器电容为61.53 pF，在最大流速下增加到61.63 pF。这种电容的增加是流入动脉瘤囊并使传感器偏转的结果。”