可實(shí)時(shí)監(jiān)測腦動(dòng)脈瘤的3D打印無線生物系統(tǒng)解析

來源：3D打印商情

近日，Robert Herbert，Saswat Mishra，Hyo-Ryoung Lim，Hyoungsuk Yoo和Woon-Hong Yeo等研究人員探索了一種新方法，用于創(chuàng)建可伸縮的無線電子設(shè)備，用于監(jiān)測血流量，從而預(yù)防腦動(dòng)脈瘤，繼續(xù)推動(dòng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域3D打印與電子產(chǎn)品之間的進(jìn)步。

他們?cè)谧罱�發(fā)表的論文《Fully Printed, Wireless, Stretchable Implantable Biosystem toward Batteryless, Real-Time Monitoring of Cerebral Aneurysm Hemodynamics》中概述了他們的研究細(xì)節(jié)，解釋了他們新穎、優(yōu)化的制造系統(tǒng)如何允許多層打印電容式流量傳感器，可以通過導(dǎo)管部署，然后插入血管。



AJP制造和材料表征。A）使用氣動(dòng)霧化器（左）的AJP沉積PI的圖示和圖像。放大視圖顯示打印的PI軌跡（右）。B）使用超聲霧化器的Ag沉積的概述（左）和PI上的圖案化Ag的放大圖（右）。C）動(dòng)脈瘤模型中可植入流量傳感器的AJP制造的圖示。插圖顯示了傳感器封裝的多層結(jié)構(gòu)。D）顯示多層傳感器結(jié)構(gòu)的橫截面SEM圖像。E）打�。ㄗ螅┖蜔�結(jié)過程后的AgNP的SEM圖像，顯示簇（右）。F）X射線衍射儀表征玻璃載玻片上的燒結(jié)AgNP，PI上的底部Ag電極和PI上的頂部Ag電極。三種情況均未觀察到晶體結(jié)構(gòu)的變化。

科學(xué)家們指出，微加工技術(shù)在創(chuàng)造微型電子產(chǎn)品方面
取得了更大的進(jìn)步，同時(shí)：
·柔軟的材料
·可伸縮設(shè)備
·生物傳感器
·外形小巧

用于在目標(biāo)容器中進(jìn)行導(dǎo)管部署的
印刷生物傳感器的力學(xué)建模、制造和可靠性

用于在目標(biāo)容器中進(jìn)行導(dǎo)管部署的印刷生物傳感器的力學(xué)建模、制造和可靠性。A）通過有限元建模設(shè)計(jì)高度可拉伸的傳感器并與制造的傳感器進(jìn)行比較。 B，C）在循環(huán)彎曲和徑向拉伸下測量的打印傳感器的電阻，在兩種負(fù)載條件下顯示出可忽略的電阻變化。D）通過高度靈活和可拉伸的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在目標(biāo)血管中基于導(dǎo)管的制造傳感器的部署。


然而，電子植入物在審視距離方面仍然較差。作者預(yù)測，未來的設(shè)備將是可伸縮的和無線的——不存在我們今天看到的剛性組件�！坝捎跈C(jī)械不匹配和笨重的包裝，這些剛性部件與植入軟組織或血管不相容�！毖芯咳藛T表示。

無線監(jiān)控將取決于集成高導(dǎo)電性元件的進(jìn)一步發(fā)展。在預(yù)防腦動(dòng)脈瘤方面，由于動(dòng)脈狹窄，插入植入物一直具有挑戰(zhàn)性。然而，監(jiān)測是至關(guān)重要的，因?yàn)閯?dòng)脈瘤破裂可能導(dǎo)致死亡。


一種電感耦合方法的參數(shù)研究與優(yōu)化

A）具有可植入流量傳感器和兩個(gè)外部天線線圈的無電池?zé)o線系統(tǒng)的示意圖；B）設(shè)備概述和示例激勵(lì)信號(hào)。接收的瞬態(tài)傳感器信號(hào)因開啟和關(guān)閉共振情況而異；C）最佳傳感器線圈匝數(shù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以增加共振時(shí)的振幅；D）根據(jù)頻率顯示最大諧振的信號(hào)幅度，其中9匝勵(lì)磁線圈和5匝接收線圈（藍(lán)色曲線）；E）由于在感興趣的頻率范圍內(nèi)調(diào)諧天線線圈而使噪聲最小化；F）信號(hào)幅度顯示具有較厚Ag（多次通過）的傳感器傳輸較大的共振峰；G）激勵(lì)磁場強(qiáng)度與激勵(lì)線圈相距1cm的比較，并且在20×20cm2的投影面積上平均，安全極限為1.6Am-1；H）CardioMEMS HF系統(tǒng)的運(yùn)行ERP大于本工作中使用的5 V.I）傳感器線圈和陶瓷電容器在不同條件下的體外測試，包括傳感器線圈通過空氣的頻率掃描，可讀取高達(dá)8cm；J）傳感器線圈放入鹽水溶液時(shí)可讀取長達(dá)7厘米；K）傳感器線圈，檢測范圍為肉體6厘米。

氣溶膠噴射打印已被用于解決傳統(tǒng)的挑戰(zhàn)，利用3D打印的優(yōu)勢——從快速生產(chǎn)和可擴(kuò)展的制造，到易于設(shè)計(jì)和更好的控制。然而，在此研究之前，AJP尚未用于制造此類電子產(chǎn)品。研究人員表示，在這項(xiàng)研究中，他們首次展示了一種支持AJP的高度可伸縮電容系統(tǒng)：“超低剖面和可拉伸結(jié)構(gòu)使得該裝置可以共形地集成到醫(yī)用支架上，并通過傳統(tǒng)的導(dǎo)管手術(shù)進(jìn)行部署，利用新的電感耦合方法監(jiān)測血液動(dòng)力學(xué)，可以在超過現(xiàn)有設(shè)備的距離內(nèi)對(duì)打印傳感器進(jìn)行無電池?zé)o線檢測�！�


在仿生血管模型中打印傳感器性能的體外研究

A-C）動(dòng)脈瘤模型中醫(yī)療支架集成傳感器的照片，顯示A）傳感器的縮小概覽，B）超薄、薄型傳感器的傾斜，放大視圖，以及C）a銅線圈連接傳感器，用于仿生模型中的血液動(dòng)力學(xué)無線監(jiān)測。 D）傳感器捕獲的脈動(dòng)流速，平均傳感器電容隨著流速從0.05（左）到0.35ms-1（右）而增加。圖（右）表示由于動(dòng)脈瘤流量增加引起的電容變化機(jī)制。E，F(xiàn)）平均電容隨著E）流速在5mm容器中的增加而變化，以及F）在3.5mm容器中的較高流速。G）隨著流速的增加，共振頻率降低。 H）連續(xù)頻率掃描，顯示共振頻率的變化。I）隨著距離增加，共振時(shí)的峰值幅度減小;在不能觀察到共振峰值之前實(shí)現(xiàn)6cm的詢問距離。J）利用VNA監(jiān)測諧振頻率，降低讀出距離（小于1 cm），表明優(yōu)化的無線電感耦合方法的優(yōu)越性。

在他們的研究中，作者完成了一系列優(yōu)化參數(shù)的計(jì)算，而體外研究提供了有關(guān)無線檢測中傳感器線圈性能的數(shù)據(jù)。該團(tuán)隊(duì)使用脈動(dòng)血泵測試血流、傳感器和支架裝置在開口處對(duì)齊，以允許入口和出口點(diǎn)穿過動(dòng)脈瘤。最終，結(jié)果顯示通過AJP創(chuàng)建“高性能可拉伸電子產(chǎn)品”的“可行性”。

“總體而言，這一結(jié)果與先前的工作完全一致，即使用計(jì)算流體模型將傳感器偏轉(zhuǎn)到電容變化。傳感器的超薄、低輪廓形狀因素避免了對(duì)正常血液動(dòng)力學(xué)的破壞�！毖芯咳藛T表示。

“對(duì)于無線監(jiān)控，銅線圈外部連接到電容式傳感器。在0.05ms-1間隔，5mm直徑血管中的平均流速在0至0.35ms -1之間變化。初始傳感器電容為61.53 pF，在最大流速下增加到61.63 pF。這種電容的增加是流入動(dòng)脈瘤囊并使傳感器偏轉(zhuǎn)的結(jié)果�！�