新發(fā)現(xiàn)允許將傳感器直接3D打印在運動器官上

來源： 江蘇激光聯(lián)盟

導讀：在具有開創(chuàng)性的新研究中，明尼蘇達大學的機械工程師和計算機科學家開發(fā)了一種3D打印技術，該技術使用類似于好萊塢電影中使用的運動捕捉技術，將電子傳感器直接打印在正在擴張和收縮的器官上。新的3D打印技術可能在診斷和監(jiān)測COVID-19患者的肺部方面有未來的應用。這項研究發(fā)表在《Science Advances》上。

三維(3D)打印技術在過去幾十年中發(fā)展迅速，現(xiàn)在包括諸如機器定位和噴墨印刷可以三維交織硬塑料以外的各種材料，例如3D印刷導體，半導體和生物材料。展望未來，3D打印可以在皮膚和身體內(nèi)部制造柔軟兼容的生物醫(yī)學設備和傳感器，推進便攜式患者監(jiān)測，傷口處理，以及器官功能增強。

盡管有這樣的前景，現(xiàn)有3D打印技術的醫(yī)學影響仍然是新生事物。在醫(yī)學應用中，目標活體生物表面通常是柔軟的，并且會經(jīng)歷持續(xù)的運動和變形。這種隨時間變化的幾何形狀從根本上限制了基于開環(huán)范例的現(xiàn)有3D打印系統(tǒng)的應用，它可能不適用于像肺這樣非平面的動態(tài)變形器官。

這項新的研究是該團隊成員兩年前發(fā)現(xiàn)的下一代3D打印技術，該技術可以在左右移動或旋轉(zhuǎn)的手的皮膚上直接打印電子產(chǎn)品。這項新技術允許對肺、心臟等器官上的3D打印傳感器進行更復雜的跟蹤，這些傳感器由于膨脹和收縮而發(fā)生形狀變化或變形。

圖1. 2018年新型3D打印技術在皮膚上的關鍵創(chuàng)新之一是打印機使用計算機視覺來實時跟蹤和調(diào)整運動。

明尼蘇達大學機械工程學教授，這項研究的高級研究員Michael McAlpine表示他們正在以前所未有的新方式突破3D打印的界限。 在移動物體上進行3D打印已經(jīng)足夠困難，但是要找到一種在其膨脹和收縮時變形的表面上進行打印的方法，這是一個很大的挑戰(zhàn)。

在活體人體器官上直接打印兼容的生物醫(yī)學設備的能力可能有益于患者監(jiān)測和傷口治療，這需要3D打印機適應生物表面的各種變形。研究人員從實驗室開始，使用氣球狀表面和專用的3D打印機。他們使用運動捕捉跟蹤標記，就像在電影中使用的那樣來創(chuàng)建特殊效果，以幫助3-D打印機將其打印路徑調(diào)整為適應表面上的伸縮運動。然后，研究人員轉(zhuǎn)移到實驗室中被人為充氣的動物肺部。他們能夠直接在表面上成功印刷基于水凝膠的軟傳感器。McAlpine表示該技術將來可能還會用于心臟跳動的3D打印傳感器。

圖2. 在呼吸肺上原位3D打印EIT傳感器的過程

圖解：(A)肺表面3D掃描，(B)呼吸肺的實時跟蹤，(C)水凝膠墨水在呼吸肺上的適應性印刷以及(D)現(xiàn)場監(jiān)測肺變形的示意圖 EIT傳感器。

通過直接在經(jīng)歷呼吸誘導變形的豬肺（BioQuest）上制造EIT應變傳感器，研究人員證明了AI驅(qū)動的3D打印系統(tǒng)的原位3D打印能力。

圖3. 在豬肺上進行3D打印，用于變形的原位監(jiān)測，并在可變形的模型面上進行3D打印

這項研究背后更深的意義是朝著將三維打印技術與手術機器人相結合的目標邁出的一大步。在未來，3D打印將不僅僅是打印，而是更大的自主機器人系統(tǒng)的一部分。這對于像COVID-19這樣的疾病可能很重要，因為在這種疾病中，醫(yī)護人員在治療患者時處于危險之中。

原文鏈接：advances.sciencemag.org/content/6/25/eaba5575
參考文獻：DOI: 10.1002/adma.201707495