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研究人员开发3D打印生物传感器,用于监测身体健康状况

2020年11月25日,南极熊获悉,纽约克拉克森大学的研究人员开发了一种定制的生物墨水,并部署到了一系列皮肤相容的3D打印生物传感器中。

新颖的墨水设计包括钛纳米颗粒,一旦暴露在紫外线辐射下,就会启动与彩色染料的光催化反应,使凝胶改变颜色。利用他们的新混合物,科学家们已经能够3D打印皮肤友好的生物传感器,使用户能够最大限度地减少过度暴露于太阳光线所造成的任何损害。

论文作者之一Silvana Andreescu说:"我们决定探索3D生物打印的能力,以制造这些可穿戴戴的紫外线传感器,因为3D打印机已经变得便宜和容易获得。当传感器的钛被来自太阳的紫外线激活时,染料会反应并改变颜色。"

紫外线问题的增材制造解决方案

根据美国癌症协会的数据,每年有170万美国人被诊断为皮肤癌,而仅在2020年,黑色素瘤就导致其中约6850名患者死亡。因此,监测人们所受到的紫外线水平是目前一个重要的研究领域,但这也是一个非常困难的领域,因为紫外线辐射的行为是间歇性的。

为了充分了解紫外线的空间和时间变化,克拉克森团队认为需要一种快速和低成本的检测技术。有几种方法认为是可行的,如3D打印和注射成型,但研究人员选择了3D打印,因为它的成本较低,可定制且容易获得。

更重要的是,生物打印正越来越多地被用于创建具有生物功能的组织结构,成为生产团队的紫外线激活生物传感器的理想选择。然而,在选择了生产方法后,团队还发现需要一种新的生物相容性油墨,以实现所需的持续安全皮肤接触。

△传感器的钛粒子如何对紫外线照射做出反应的可视化表示,图片来自《应用材料与界面》杂志

克拉克森团队的生物墨水

为了使他们的生物传感器成为可能,科学家们首先要创造出一种由光活性二氧化钛(TiO2)纳米颗粒和多色染料组成的新型生物墨水,并分散在水凝胶中。此外,还加入了海藻酸盐和明胶,以赋予3D打印所需的粘度,以及凝胶状的质地,从而具有机械稳定性。

选择TiO2是因为它的光催化能力,能够通过一系列的还原-氧化链反应来分解有机材料。在这一机制中,一旦暴露在紫外线辐射下,团队试图启动传感器中的绿色、橙色和蓝色染料的分解。

在科学家们使用CAD软件优化了设备设计之后,他们利用Allevi 2 3D生物打印机制造了一系列基本原型,然后转入测试。为了评估3D打印设备的机械稳定性和均匀性,团队将沿五个不同的点进行纳米压痕测试。

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