1789年創(chuàng)立的北卡羅來納大學(xué)（UNC），作為美國公立高等教育的先驅(qū)，在醫(yī)學(xué)創(chuàng)新的征途上，UNC穩(wěn)居前沿，利用微納3D打印技術(shù)開發(fā)創(chuàng)新性生物醫(yī)療解決方案。在生物醫(yī)學(xué)工程聯(lián)合部門，Roger Narayan教授及其團隊選擇了摩方精密的面投影微立體光刻（PµSL）3D打印技術(shù)（nanoArch® S130，精度：2 μm），應(yīng)用于pH值傳感、組織間液提取、5-HT感應(yīng)等多項科研挑戰(zhàn)。在這些精細化的應(yīng)用中，分辨率、準確性與精密度成為至關(guān)重要的考量標準，而這正是傳統(tǒng)制造工藝所難以觸及的高度。
在生物過程的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，pH值發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它不僅左右著營養(yǎng)的代謝水平，還影響著傷口的愈合速率和物質(zhì)的化學(xué)行為。鑒于此，食品工業(yè)與醫(yī)療保健界正日益重視開發(fā)低成本的光學(xué)pH傳感器，旨在應(yīng)用于肉類腐敗的檢測和傷口健康狀況的監(jiān)控等關(guān)鍵領(lǐng)域。
為了響應(yīng)這一迫切需求，Narayan團隊精心研制出一種基于機器學(xué)習(xí)技術(shù)的微針比色pH傳感貼片。這款創(chuàng)新性的貼片旨在實現(xiàn)雙重目標：一方面監(jiān)測食品質(zhì)量，另一方面評估傷口健康狀況。經(jīng)過一系列嚴謹?shù)捏w外實驗驗證，研究成果證實了微針比色pH傳感貼片的高效性。實驗數(shù)據(jù)清晰地表明，該貼片在傷口pH監(jiān)測和肉類腐敗檢測方面表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。
通過借助摩方精密的高精密3D打印機，該團隊成功生產(chǎn)出了分辨率高達2-25 μm的精密零部件，從而實現(xiàn)了微針的精細化和精確化制造。這種高精度的制造能力對于pH傳感設(shè)備的研發(fā)至關(guān)重要。
這種集多功能與成本效益于一身的pH傳感貼片的開發(fā)，對于醫(yī)療保健和食品行業(yè)具有深遠的影響。它不僅為食品安全的保障和傷口護理管理的提升提供了切實可行的技術(shù)支持，更是為促進整體健康水平的提高做出了顯著貢獻。
在近期的一項研究中，UNC的研究團隊深入探討了多種組織間液（ISF）的采集機制，涵蓋了擴散、真空對流、毛細作用、滲透（利用水凝膠）以及空心微針（MN）陣列等多種方法。研究發(fā)現(xiàn)，ISF的流動速率受到對流力的影響而有所差異，技術(shù)效率的排序為：擴散 < 毛細作用 < 滲透 < 施加壓力/抽吸。然而，真空驅(qū)動系統(tǒng)雖然具有一定的效果，但其復(fù)雜性、體積龐大以及對組織水分含量變化的敏感性限制了其應(yīng)用范圍。
面對這些挑戰(zhàn)，Narayan團隊開創(chuàng)性地開發(fā)了一種基于3D打印MN陣列的即時護理微尺度設(shè)備，旨在高效提取ISF并進行分析物監(jiān)測。該設(shè)備采用壓力驅(qū)動的對流方式，有效地實現(xiàn)了ISF的提取。集成化的MN設(shè)備成功地收集到了足夠的ISF體積（3.0 μL），為后續(xù)的分析工作提供了保障。MN的傾斜設(shè)計顯著提高了針尖處表皮層的拉伸，有效避免了皮膚在針尖附近的折疊，從而提升了皮膚的穿透效率。
UNC團隊的目標是打造出高度介于500 μm至1.4 mm之間的微針，而摩方精密的高精密3D打印技術(shù)成為了實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵，它是能夠滿足這些微針在準確性和精度上要求的先進技術(shù)。
這款基于3D打印MN陣列的設(shè)備標志著ISF提取和監(jiān)測技術(shù)的一大飛躍。其高效性和用戶友好的設(shè)計為即時護理應(yīng)用開辟了廣闊的前景，顯著提升了臨床環(huán)境中ISF收集與分析的精確度和便捷性。
圖2. MN陣列的光學(xué)圖像。a) 方形板和b) 帽。掃描電鏡（SEM）顯微圖像：c) MN陣列，d) MN頭部，e) MN斜視圖。Keyence激光掃描光學(xué)顯微鏡3D圖像：f) MN，以及MN尺寸的圖表展示，圖中為針高度（y軸）與針寬度（x軸）之間的關(guān)系。使用MN陣列穿刺的豬皮（臺盼藍染色）的光學(xué)圖像，MN高度分別為：h) 750 μm，i) 800 μm，j) 900 μm，k) 950 μm。
為了應(yīng)對所面臨的挑戰(zhàn)，UNC的研究團隊成功研發(fā)了一種專用于5-HT感測的碳纖維集成多接觸電極（MCCFEs）配置。該MCCFEs的特別之處在于其采用了靈活且高密度的布局，每個電極均保持獨立，成功克服了先前設(shè)計的局限性。MCCFEs具備眾多的電活性位點、適當?shù)目估瓘姸纫约傲己玫幕瘜W(xué)穩(wěn)定性，這些特性對于基于纖維平臺的電化學(xué)感測效率至關(guān)重要。通過初始的超聲波處理，團隊誘導(dǎo)了碳纖維的空化，促進了其光滑碳質(zhì)層的剝離，從而顯著提升了電極界面的性能，例如增強了電解質(zhì)的滲透性。
MCCFEs的開發(fā)標志著電化學(xué)感測技術(shù)的一個里程碑。其設(shè)計的改進和功能的增強，為進行更精確、更可靠的分析物檢測開辟了新的可能性，為科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的進一步應(yīng)用奠定了堅實的基石。
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