克拉克森大学开发3D打印可穿戴生物传感器用于防晒

3D打印科研前沿
2020
11/25
11:28
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2020年11月25日,南极熊获悉,纽约克拉克森大学的研究人员开发了一种定制的生物墨水,并部署到了一系列皮肤相容的3D打印生物传感器中。

新颖的墨水设计包括钛纳米颗粒,一旦暴露在紫外线辐射下,就会启动与彩色染料的光催化反应,使凝胶改变颜色。利用他们的新混合物,科学家们已经能够3D打印皮肤友好的生物传感器,使用户能够最大限度地减少过度暴露于太阳光线所造成的任何损害。

论文作者之一Silvana Andreescu说:"我们决定探索3D生物打印的能力,以制造这些可穿戴戴的紫外线传感器,因为3D打印机已经变得便宜和容易获得。当传感器的钛被来自太阳的紫外线激活时,染料会反应并改变颜色。"

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△克拉克森团队新颖的生物墨水使他们能够制造出一系列对紫外线敏感的生物传感器,图片来自《应用材料与界面》杂志

紫外线问题的增材制造解决方案

根据美国癌症协会的数据,每年有170万美国人被诊断为皮肤癌,而仅在2020年,黑色素瘤就导致其中约6850名患者死亡。因此,监测人们所受到的紫外线水平是目前一个重要的研究领域,但这也是一个非常困难的领域,因为紫外线辐射的行为是间歇性的。

为了充分了解紫外线的空间和时间变化,克拉克森团队认为需要一种快速和低成本的检测技术。有几种方法认为是可行的,如3D打印和注射成型,但研究人员选择了3D打印,因为它的成本较低,可定制且容易获得。

更重要的是,生物打印正越来越多地被用于创建具有生物功能的组织结构,成为生产团队的紫外线激活生物传感器的理想选择。然而,在选择了生产方法后,团队还发现需要一种新的生物相容性油墨,以实现所需的持续安全皮肤接触。

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△传感器的钛粒子如何对紫外线照射做出反应的可视化表示,图片来自《应用材料与界面》杂志

克拉克森团队的生物墨水

为了使他们的生物传感器成为可能,科学家们首先要创造出一种由光活性二氧化钛(TiO2)纳米颗粒和多色染料组成的新型生物墨水,并分散在水凝胶中。此外,还加入了海藻酸盐和明胶,以赋予3D打印所需的粘度,以及凝胶状的质地,从而具有机械稳定性。

选择TiO2是因为它的光催化能力,能够通过一系列的还原-氧化链反应来分解有机材料。在这一机制中,一旦暴露在紫外线辐射下,团队试图启动传感器中的绿色、橙色和蓝色染料的分解。

在科学家们使用CAD软件优化了设备设计之后,他们利用Allevi 2 3D生物打印机制造了一系列基本原型,然后转入测试。为了评估3D打印设备的机械稳定性和均匀性,团队将沿五个不同的点进行纳米压痕测试。
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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.

结果显示,模型之间的硬度偏差很低,它们具有很强的机械性能,并反映了TiO2颗粒的高分布。在最终产品测试过程中,传感器还表现出了一个奇怪的行为:不同颜色的染料在相同水平的紫外线照射下以不同的速度降解。

基于这一发现,研究团队认为,他们的设备可以根据佩戴者的皮肤敏感度或黑色素水平进行定制,以满足个人护肤需求。

无论是哪种方式,无论是在医疗还是防晒护理环境中,团队认为他们的生物墨水和生物传感器是一种低成本、可获得和可定制的解决方案。

身体监测和增材制造生物传感器

研究人员近年来开发出了多种3D打印生物传感器,有可能让用户密切监测自己的身体健康状况。

来自成均馆大学的科学家们已经生产出了一种带有糖基支架的有机硅弹性体,可以作为制造可穿戴医疗生物传感器的基础。事实证明,这些设备对志愿者的皮肤下、肌肉中和大脑中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制造了一种葡萄糖筛查设备。新颖的用户专用生物传感器能够被转移到皮肤上,并被证明能够贴合人体曲线。

同时,CCDC士兵中心的研究人员还制造了生物传感器,能够从生理上跟踪美军的安康状况。这种微流体装置也有可能应用于战场,作为保护士兵免受情境威胁的一种手段。

研究人员的研究结果详见其题为 "3D Printed Hydrogel-Based Sensors for Quantifying UV Exposure "的论文,该论文由Abraham Samuel Finny、Cindy Jiang和Silvana Andreescu共同撰写。


编译自:3dprintingindustry





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