综述-直接墨水书写的 3D 打印生物电子器件

研究背景

快速发展的生物电子学领域正蓄势待发，通过实施数字健康技术进行主动监测和早期诊断个性化医疗进行定制治疗、软机器人技术进行辅助手术、药物输送和智能假肢等，生物电子学的变革性进步将彻底改变现代医疗保健的各个方面。从人体各部位捕捉生物信号的传感器是这项即将问世的技术的核心。从监测动态身体运动和细微的身体动作到获取全面的分子信息，这些生物传感器为创新诊断和医疗解决方案开辟了新的途径。通过将物联网(loT)集成到可穿戴设备中，患者和护理人员可以更方便地监测、管理和参与有效的医疗干预，从而保障患者的健康。事实上，如今的可穿戴生物传感器已发展得越来越复杂，这是因为人们非常重视进一步实现设备微型化、利用多模态功能提高性能、开发软性和弹性电子元件，以及进行定制以实现更好的兼容性和个性化护理点应用。这就导致了材料和复合材料的多样化使用，这些材料和复合材料经过工程设计，可实现不同的结构、性能和功能。因此，传统制造方法往往受限于其可容纳的材料、创建复杂图案和几何形状的能力，以及设计的复杂性和定制能力。

近几年来，采用3D打印技术制造生物电子器件引起了广泛关注，因为3D打印技术在材料和设计的多功能性、制造效率、工艺简便性以及未来大规模生产的可扩展性等方面显示出超越传统制造技术的巨大潜力。3D打印也被称为增材制造(AM)，是一种新兴技术，能够通过逐层构建的方式制造出复杂的三维物体，具有高精度和灵活性。目前，有多种3D打印技术，如熔融沉积建模(FDM)、立体光刻(SLA)、数光处理(DLP)、选择性激光烧结(SLS)和直接墨水写入(DIW)，这些技术采用不同的策略对材料进行图案化和打印。然而，大多数3D打印技术通常依赖于某一类材料，包括用于 FDM 的热塑性聚合物、用于 SLA 和 DLP 的光聚合物树脂，以及用于 SLS 的粉聚合物或金属，这限制了墨水的定制配方。在这些方法中，DIW 是一种基于挤压的 AM 方法，使用小喷嘴分配油墨逐层制造三维结构，已成为开发生物电子学最通用的3D打印技术(图 1A)。DIW 除了能通过定制油墨配方涵盖多种材料外，还具有其他优势，如成本低、打印分辨率高、打印速度快以及能创建微纳米结构以增强功能。DIW 的操作非常简单，油墨通过喷嘴挤出，然后沿着预先确定的印刷路径直接印刷到基底上。对于配制的油墨来说，剪切稀化和屈服应力是满足挤出流变学标准的两个关键特征(图 1B和 C)。在挤出过程中，油墨表现为液态，挤出喷嘴后迅速变回固态，保持形状直至完全固化。3D打印过程的打印分辨率主要取决于打印参数，如喷嘴尺寸、打印速度和挤出压力。通过 DIW 进行3D打印，可以根据数字设计模型进行控制，从而实现高自由度的快速原型定制设计。此外，还有其他各种类型的基于油墨的打印技术，重点用于生物电子学的开发，如丝网印刷，利用预先设计好图案的模板和网屏，通过刮刀的物理接触将油墨转移到目标基底上、凹版印刷: 借助压印滚简将油墨从圆柱滚筒上雕刻的微米级凹槽直接转移到基底上；喷墨印刷: 使用热传感器或压电传感器喷射微小墨滴，以创建高分辨率图案图像。每种打印技术都有其独特的材料沉积方式，各有优缺点。与这些打印技术相比，DIW 3D打印技术作为一种前景广阔的打印方案，在材料和设计的多功能性、厚度可控的高分辨率、低成本制造的高效率以及批量生产的良好可扩展性等方面具有若干关键优势(图 1D)。此外，由于沉积通常是通过物理添加材料的方式进行的，因此不同的材料可以很容易地集成在一起，因为它们通常不会受到化学兼容性问题的限制。因此，迄今为止，3D打印技术的应用促进了新型生物电子器件的发展这些器件具有新的功能、更强的传感性能、更好的生物兼容性、无缝接口以及附着柔软和可定制的特性。

研究成果

近年来，在个性化健康监测、远程病人管理和实时生理数据收集需求不断增长的推动下，可穿戴和植入式生物电子器件的发展势头迅猛。因此，这些设备的复杂性和先进性不断提高需要使用许多传统制造技术无法实现的非常规新材料。3D打印，又称增材制造，是一种新兴技术，为制造下一代生物电子设备提供了新的机遇。它的一些显著优势包括: 材料多样性和设计自由度、快速原型设计以及更高的制造效率。本综述概述了生物电子学3D打印技术，特别是直接墨水写入技术(DIW)的最新进展，包括这一快速发展领域中出现的方法、材料和应用。本综述展示了通过3D打印制造的各种生物电子设备，包括可穿戴生物物理传感器、生化传感器、电生理传感器、能源设备、多模态系统、植入式设备和软机器人。本综述还将讨论应用 DIW 3D打印技术开发生物电子设备在医疗保健应用方面的优势、现有挑战和前景。相关报道以“Direct-ink-writing 3D-printed bioelectronics”为题发表在Materials Today期刊上。美国加州理工学院Gao Wei教授为文章通讯作者。

导读

FIG. 1 Direct-ink-writing (DIW) 3D printing.

FIG. 2 DIW 3D printable materials for bioelectronics.

FIG. 3 3D-printed wearable biophysical sensors.

FIG. 4 3D-printed wearable/point-of-care biochemical sensors.

FIG. 5 3D-printed electrophysiological sensors.

FIG. 6 3D-printed wearable energy devices.

FIG. 7 3D-printed wearable multimodal systems.

FIG. 8 3D-printed implantable devices.

FIG. 9 3D-printed soft robotics.

总结与展望

将基于 DIW的3D打印技术应用于生物电子学，有望推动创新和定制医疗设备的发展，如多模态可穿戴生物传感器、微型化能量存储和采集模块、生物兼容植入设备和自主软机器人。DIW 3D打印技术能够构建错综复杂的电子电路和复杂的几何形状，融合多种材料，并为个性化应用进行定制设计，因此是下一代生物电子学领域非常可行的制造工具。正如本综述所述，最近的许多研究都证明了 DIW 的成功应用，它可以制造出功能性、灵活性和生物兼容性大大提高的可穿戴和植入式生物电子器件。所有类型的生物电子器件都从 DIW 3D 打印方法中获得了不同的收益。首先，通过相消工艺，3D打印可以在微观到宏观尺度上形成多孔结构，从而大大提高生物电子器在生物传感、能量收集和能量存储方面的运行能力。其次，在流变学标准下配制定制油墨，可以开发具有特定材料的生物电子器件，实现高分辨率数字设计图案的打印。第三，通过优化印刷参数，包括压力、速度、温度和印刷层数，可以很好地调节生物电子器件的性能。

然而，要将3D打印设备用于实际应用和临床实践，仍有一些挑战需要解决，特别是对于需要依次打印多种材料的生物电子器件而言。总体而言，定制油墨的配方、打印参数、打印各种材料之间的协调以及打印后工艺(固化温度和干燥条件)对于生物电子学的发展至关重要。首先，小型化低功耗装置的集成对于提高包装密度和长期可持续使用至关重要，这就需要高分辨率的可靠印刷、高效能源装置的制备以及能量收集器和储能装置的结合。其次，需要开发可扩展和兼容的制造程序，以整合其他功能模块和设备组件。第三，必须建立高效的无线通信平台，以实现数据的快速采集、传输和存储，这对远程操作的生物电子学至关重要。最后，借助人工智能获取和分析综合信息将有助于确保诊断评估的准确翻译和预测。可以预见的是，下一阶段的发展将趋向于构建全兼容的3D打印集成系统，在这一阶段，可以进一步简化制造流程，纳入更多设备，以实现大规模生产和商业化的最终目标。这就需要配制新型多功能油墨，开发可扩展的设计，并建立新的打印协议，在打印和打印后过程中考虑材料的兼容性。重要的是，确保3D打印生物电子学的可扩展性、可重复性和合规性对于将其转化为临床实践至关重要，这在很大程度上取决于定制油墨的一致性和稳定性。同时，在制备墨水时，应充分考虑并确定打印条件的存储和可变性。展望未来，3D 打印技术在生物医学工程领域蕴含着许多令人兴奋的机遇。通过加入纳米材料和生物相容性导电油墨，新型油墨的开发突飞猛进，这将提高设备性能并实现新的功能。重要的是，通过高精度顺序或多喷嘴打印进行多材料打印将有助于构建更复杂的多模态和集成系统。具有高灵敏度理化传感能力的皮肤界面可穿戴生物传感器将实现对各种生物标志物的实时监测，以进行持续的健康监测。集成可穿戴能量收集和存储模块将实现可持续的长期实用性。最重要的是通过将收集到的信息与机器学习算法和数据分析相结合，这些系统将能够更好地预测个人的健康状况，并提供更高效、更准确的医疗干预。

文献链接

Direct-ink-writing 3D-printed bioelectronics

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.09.006

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