供稿人:焦天、連芩 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2020-10-28
在人體器官上直接打印柔性傳感器將有利于實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)患者的器官。在不斷活動(dòng)的器官上打印柔性傳感器面臨兩個(gè)方面的困難：一是打印過程中必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)器官的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)快速的調(diào)整噴頭位置和打印路徑；另一方面，打印的生物材料要求有優(yōu)異的生物相容性、拉伸性能、粘接能力和電學(xué)性能。
為了解決上述問題，美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)Zhijie Zhu等人提出一種原位打印柔性傳感器的方法。研究人員使用了兩套攝像系統(tǒng)：一套攝像系統(tǒng)用于掃描豬肺的表面特征，規(guī)劃打印路徑，另一套立體攝像系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)重建豬肺表面的時(shí)變?nèi)S幾何形狀，從而調(diào)整噴頭位置和打印路徑，整個(gè)調(diào)整過程只需要60毫秒。
打印所用的離子水凝膠主要由氯化鋰（LiCl）、丙烯酰胺、聚丙烯酰胺、乙二醇和超純水組成。該水凝膠表現(xiàn)出適合打印的流變特性，水凝膠層打印完成后與硅樹脂環(huán)貼附在一起，通過鑲嵌到硅樹脂中的銅電極與外界相連。水凝膠層通過紫外光固化之后與豬肺緊密粘結(jié)。力學(xué)和電學(xué)測(cè)試顯示打印的柔性傳感器表現(xiàn)出與豬肺組織相似的拉伸性能，傳感器的電阻與水凝膠層的形變呈線性相關(guān)。
隨后課題組使用打印的傳感器對(duì)豬肺的呼吸進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示打印的傳感器可以成功的獲取豬肺呼吸產(chǎn)生的形變。這種自適應(yīng)的3D打印方法可以增強(qiáng)機(jī)器人輔助醫(yī)療的能力，實(shí)現(xiàn)在人體表面和人體內(nèi)部自動(dòng)直接打印可穿戴電子和生物材料。
圖1 在呼吸的豬肺表面打印柔性傳感器
圖2 打印的柔性傳感器監(jiān)測(cè)豬肺的呼吸