微纳3D打印在北卡罗来纳大学医疗创新中的应用

1789年创立的北卡罗来纳大学（UNC），作为美国公立高等教育的先驱，科研实力雄踞全国前列。在医学创新的征途上，UNC稳居前沿，利用微纳3D打印技术开发创新性生物医疗解决方案。在生物医学工程联合部门，Roger Narayan教授及其团队选择了摩方精密的面投影微立体光刻（PµSL）3D打印技术（nanoArch® S130，精度：2 μm），应用于pH值传感、组织间液提取、5-HT感应等多项科研挑战。在这些精细化的应用中，分辨率、准确性与精密度成为至关重要的考量标准，而这正是传统制造工艺所难以触及的高度。

01 基于微针技术的比色pH传感贴片

在生物过程的复杂网络中，pH值发挥着至关重要的作用，它不仅左右着营养的代谢水平，还影响着伤口的愈合速率和物质的化学行为。鉴于此，食品工业与医疗保健界正日益重视开发低成本的光学pH传感器，旨在应用于肉类腐败的检测和伤口健康状况的监控等关键领域。

为了响应这一迫切需求，Narayan团队精心研制出一种基于机器学习技术的微针比色pH传感贴片。这款创新性的贴片旨在实现双重目标：一方面监测食品质量，另一方面评估伤口健康状况。经过一系列严谨的体外实验验证，研究成果证实了微针比色pH传感贴片的高效性。实验数据清晰地表明，该贴片在伤口pH监测和肉类腐败检测方面表现出了卓越的性能。

通过借助摩方精密的高精密3D打印机，该团队成功生产出了分辨率高达2-25 μm的精密零部件，从而实现了微针的精细化和精确化制造。这种高精度的制造能力对于pH传感设备的研发至关重要。

这种集多功能与成本效益于一身的pH传感贴片的开发，对于医疗保健和食品行业具有深远的影响。它不仅为食品安全的保障和伤口护理管理的提升提供了切实可行的技术支持，更是为促进整体健康水平的提高做出了显著贡献。

图1. 微针比色pH传感贴片制造过程的示意图。（a）制造pH传感贴片所使用的不同组件视图。（b）基于微针阵列的pH传感贴片逐步（i-vi）制造过程。（c）完全组装后的pH传感贴片的顶视图和底视图。

02 微针阵列用于组织间液提取与监测

在近期的一项研究中，UNC的研究团队深入探讨了多种组织间液（ISF）的采集机制，涵盖了扩散、真空对流、毛细作用、渗透（利用水凝胶）以及空心微针（MN）阵列等多种方法。研究发现，ISF的流动速率受到对流力的影响而有所差异，技术效率的排序为：扩散 < 毛细作用 < 渗透 < 施加压力/抽吸。然而，真空驱动系统虽然具有一定的效果，但其复杂性、体积庞大以及对组织水分含量变化的敏感性限制了其应用范围。

面对这些挑战，Narayan团队开创性地开发了一种基于3D打印MN阵列的即时护理微尺度设备，旨在高效提取ISF并进行分析物监测。该设备采用压力驱动的对流方式，有效地实现了ISF的提取。集成化的MN设备成功地收集到了足够的ISF体积（3.0 μL），为后续的分析工作提供了保障。MN的倾斜设计显著提高了针尖处表皮层的拉伸，有效避免了皮肤在针尖附近的折叠，从而提升了皮肤的穿透效率。

UNC团队的目标是打造出高度介于500 μm至1.4 mm之间的微针，而摩方精密的高精密3D打印技术成为了实现这一目标的关键，它是唯一能够满足这些微针在准确性和精度上要求的先进技术。

这款基于3D打印MN阵列的设备标志着ISF提取和监测技术的一大飞跃。其高效性和用户友好的设计为即时护理应用开辟了广阔的前景，显著提升了临床环境中ISF收集与分析的精确度和便捷性。

图2. MN阵列的光学图像。a) 方形板和b) 帽。扫描电镜（SEM）显微图像：c) MN阵列，d) MN尖端，e) MN斜视图。Keyence激光扫描光学显微镜3D图像：f) MN，以及MN尺寸的图表展示，图中为针高度（y轴）与针宽度（x轴）之间的关系。使用MN阵列穿刺的猪皮（台盼蓝染色）的光学图像，MN高度分别为：h) 750 μm，i) 800 μm，j) 900 μm，k) 950 μm。

03 碳纤维集成多接触电极用于5-HT感测

为了应对所面临的挑战，UNC的研究团队成功研发了一种专用于5-HT感测的碳纤维集成多接触电极（MCCFEs）配置。该MCCFEs的独特之处在于其采用了灵活且高密度的布局，每个电极均保持独立，成功克服了先前设计的局限性。MCCFEs具备众多的电活性位点、适当的抗拉强度以及良好的化学稳定性，这些特性对于基于纤维平台的电化学感测效率至关重要。通过初始的超声波处理，团队诱导了碳纤维的空化，促进了其光滑碳质层的剥离，从而显著提升了电极界面的性能，例如增强了电解质的渗透性。

MCCFEs的开发标志着电化学感测技术的一个里程碑。其设计的改进和功能的增强，为进行更精确、更可靠的分析物检测开辟了新的可能性，为科学和医学领域的进一步应用奠定了坚实的基石。

图3. (A) CAD模型（a-c）和3D图案阵列的数字图像（d-f）。(B) 3D阵列的柔韧性和可弯曲性评估（a-d）。(C) 钯负载及将纺丝碳纤维转换为生物传感电极的过程（a-e）。