微納3D打印在北卡羅來納大學醫療創新中的應用

1789年創立的北卡羅來納大學（UNC），作為美國公立高等教育的先驅，在醫學創新的征途上，UNC穩居前沿，利用微納3D打印技術開發創新性生物醫療解決方案。在生物醫學工程聯合部門，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（nanoArch® S130，精度：2 μm），應用于pH值傳感、組織間液提取、5-HT感應等多項科研挑戰。在這些精細化的應用中，分辨率、準確性與精密度成為至關重要的考量標準，而這正是傳統制造工藝所難以觸及的高度。

01 基于微針技術的比色pH傳感貼片

在生物過程的復雜網絡中，pH值發揮著至關重要的作用，它不僅左右著營養的代謝水平，還影響著傷口的愈合速率和物質的化學行為。鑒于此，食品工業與醫療保健界正日益重視開發低成本的光學pH傳感器，旨在應用于肉類腐敗的檢測和傷口健康狀況的監控等關鍵領域。

為了響應這一迫切需求，Narayan團隊精心研制出一種基于機器學習技術的微針比色pH傳感貼片。這款創新性的貼片旨在實現雙重目標：一方面監測食品質量，另一方面評估傷口健康狀況。經過一系列嚴謹的體外實驗驗證，研究成果證實了微針比色pH傳感貼片的高效性。實驗數據清晰地表明，該貼片在傷口pH監測和肉類腐敗檢測方面表現出了優異的性能。

通過借助摩方精密的高精密3D打印機，該團隊成功生產出了分辨率高達2-25 μm的精密零部件，從而實現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傳感設備的研發至關重要。

這種集多功能與成本效益于一身的pH傳感貼片的開發，對于醫療保健和食品行業具有深遠的影響。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支持，更是為促進整體健康水平的提高做出了顯著貢獻。

02 微針陣列用于組織間液提取與監測

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。研究發現，ISF的流動速率受到對流力的影響而有所差異，技術效率的排序為：擴散 < 毛細作用 < 滲透 < 施加壓力/抽吸。然而，真空驅動系統雖然具有一定的效果，但其復雜性、體積龐大以及對組織水分含量變化的敏感性限制了其應用范圍。

面對這些挑戰，Narayan團隊開創性地開發了一種基于3D打印MN陣列的即時護理微尺度設備，旨在高效提取ISF并進行分析物監測。該設備采用壓力驅動的對流方式，有效地實現了ISF的提取。集成化的MN設備成功地收集到了足夠的ISF體積（3.0 μL），為后續的分析工作提供了保障。MN的傾斜設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打印技術成為了實現這一目標的關鍵，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。

這款基于3D打印MN陣列的設備標志著ISF提取和監測技術的一大飛躍。其高效性和用戶友好的設計為即時護理應用開辟了廣闊的前景，顯著提升了臨床環境中ISF收集與分析的精確度和便捷性。

圖2. MN陣列的光學圖像。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）之間的關系。使用MN陣列穿刺的豬皮（臺盼藍染色）的光學圖像，MN高度分別為：h) 750 μm，i) 800 μm，j) 900 μm，k) 950 μm。

03 碳纖維集成多接觸電極用于5-HT感測

為了應對所面臨的挑戰，UNC的研究團隊成功研發了一種專用于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，成功克服了先前設計的局限性。MCCFEs具備眾多的電活性位點、適當的抗拉強度以及良好的化學穩定性，這些特性對于基于纖維平臺的電化學感測效率至關重要。通過初始的超聲波處理，團隊誘導了碳纖維的空化，促進了其光滑碳質層的剝離，從而顯著提升了電極界面的性能，例如增強了電解質的滲透性。

MCCFEs的開發標志著電化學感測技術的一個里程碑。其設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，為科學和醫學領域的進一步應用奠定了堅實的基石。