直寫式三維打印生物電子研究進(jìn)展綜述

近年來，對于個性化健康監(jiān)測、遠(yuǎn)程疾病管理以及實(shí)時生理數(shù)據(jù)收集的需求日益增加，促進(jìn)了可穿戴以及植入式相關(guān)的生物電子的快速發(fā)展。通過采用先進(jìn)的加工制造方案，可以實(shí)現(xiàn)新型材料與復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可控制備。其中，三維打印，也稱增材制造，作為一種新興的制造技術(shù)，為下一代生物電子發(fā)展帶來了更多的可能性。

為了更為全面的展示現(xiàn)階段三維打印生物電子的最新發(fā)展，加州理工學(xué)院高偉教授課題組針對直寫式三維打印方案，聚焦于該領(lǐng)域中快速發(fā)展迭代的方法、材料以及應(yīng)用，展示了通過三維打印制造的各種生物電子器件，包括可穿戴生物傳感器（聚焦于物理信號、化學(xué)信號以及電生理信號的采集、可穿戴能量器件（能量采集設(shè)備和能量存儲設(shè)備、多模態(tài)集成化微系統(tǒng)）、可植入電子設(shè)備（生理信號監(jiān)測和可控電刺激、以及軟體機(jī)器人等），并進(jìn)一步討論了直寫式三維打印生物電子在個性化醫(yī)療健康領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)及應(yīng)用前景。

該綜述以“Direct-ink-writing 3D-printed bioelectronics”題為，發(fā)表在Materials Today期刊上，并受到雜志亮點(diǎn)報道。該綜述第一作者為加州理工學(xué)院博士后Roland Tay與宋宇，通訊作者為加州理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程系助理教授高偉。

圖1 直寫式三維打印概述

圖2 用于直寫式三維打印生物電子的功能化材料

圖3 基于三維打印的可穿戴多模態(tài)生物電子系統(tǒng)

圖4 基于三維打印的可植入生物電子器件

該領(lǐng)域下一階段的發(fā)展趨勢將是構(gòu)建系統(tǒng)級全兼容的三維打印集成系統(tǒng)，通過進(jìn)一步簡化加工工藝以整合更多設(shè)備，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量化生產(chǎn)和商業(yè)化運(yùn)營的最終目標(biāo)。因此，一方面需要加強(qiáng)定制化多功能油墨材料的研究以開發(fā)可擴(kuò)展的設(shè)計結(jié)構(gòu)，并完善打印前后過程中材料的兼容性，另一方面要確保三維打印生物電子的可重復(fù)性，已滿足臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化的要求，這也取決于定制化油墨制備存儲過程中的一致性和穩(wěn)定性。

顯然，三維打印在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域展現(xiàn)出了令人興奮的機(jī)遇，通過新型油墨的拓寬來增強(qiáng)器件的功能，并通過可控的高精度、多噴嘴打印方式，構(gòu)建更為復(fù)雜的多模態(tài)集成系統(tǒng)。最終，具有高靈敏度理化傳感功能的面向皮膚界面的可穿戴生物傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測各類生物標(biāo)志物，以實(shí)現(xiàn)持續(xù)非侵入的健康監(jiān)測，配合可穿戴能量采集和存儲模塊實(shí)現(xiàn)長時間穩(wěn)定可靠工作，最終將采集得到的信息與機(jī)器學(xué)習(xí)算法和數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)健康狀況的個性化預(yù)測，并提供更為高效準(zhǔn)確的遠(yuǎn)程醫(yī)療干預(yù)。

審核編輯：劉清