1789年創(chuàng)立的北卡羅來(lái)納大學(xué)（UNC），作為美國(guó)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(kāi)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(mén)，Roger Narayan教授及其團(tuán)隊(duì)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(xiàng)科研挑戰(zhàn)。在這些精細(xì)化的應(yīng)用中，分辨率、準(zhǔn)確性與精密度成為至關(guān)重要的考量標(biāo)準(zhǔn)，而這正是傳統(tǒng)制造工藝所難以觸及的高度。

01 基于微針技術(shù)的比色pH傳感貼片

在生物過(guò)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(yíng)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(kāi)發(fā)低成本的光學(xué)pH傳感器，旨在應(yīng)用于肉類(lèi)腐敗的檢測(cè)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(tuán)隊(duì)精心研制出一種基于機(jī)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(shí)現(xiàn)雙重目標(biāo)：一方面監(jiān)測(cè)食品質(zhì)量，另一方面評(píng)估傷口健康狀況。經(jīng)過(guò)一系列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)捏w外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究成果證實(shí)了微針比色pH傳感貼片的高效性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)清晰地表明，該貼片在傷口pH監(jiān)測(cè)和肉類(lèi)腐敗檢測(cè)方面表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。

通過(guò)借助摩方精密的高精密3D打印機(jī)，該團(tuán)隊(duì)成功生產(chǎn)出了分辨率高達(dá)2-25 μm的精密零部件，從而實(shí)現(xiàn)了微針的精細(xì)化和精確化制造。這種高精度的制造能力對(duì)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(kāi)發(fā)，對(duì)于醫(yī)療保健和食品行業(yè)具有深遠(yuǎn)的影響。它不僅為食品安全的保障和傷口護(hù)理管理的提升提供了切實(shí)可行的技術(shù)支持，更是為促進(jìn)整體健康水平的提高做出了顯著貢獻(xiàn)。

02 微針陣列用于組織間液提取與監(jiān)測(cè)

在近期的一項(xiàng)研究中，UNC的研究團(tuán)隊(duì)深入探討了多種組織間液（ISF）的采集機(jī)制，涵蓋了擴(kuò)散、真空對(duì)流、毛細(xì)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(dòng)速率受到對(duì)流力的影響而有所差異，技術(shù)效率的排序?yàn)椋簲U(kuò)散 < 毛細(xì)作用 < 滲透 < 施加壓力/抽吸。然而，真空驅(qū)動(dòng)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(duì)組織水分含量變化的敏感性限制了其應(yīng)用范圍。

面對(duì)這些挑戰(zhàn)，Narayan團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)性地開(kāi)發(fā)了一種基于3D打印MN陣列的即時(shí)護(hù)理微尺度設(shè)備，旨在高效提取ISF并進(jìn)行分析物監(jiān)測(cè)。該設(shè)備采用壓力驅(qū)動(dòng)的對(duì)流方式，有效地實(shí)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(jì)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(tuán)隊(duì)的目標(biāo)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵，它是能夠滿足這些微針在準(zhǔn)確性和精度上要求的先進(jìn)技術(shù)。

這款基于3D打印MN陣列的設(shè)備標(biāo)志著ISF提取和監(jiān)測(cè)技術(shù)的一大飛躍。其高效性和用戶友好的設(shè)計(jì)為即時(shí)護(hù)理應(yīng)用開(kāi)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(tái)盼藍(lán)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。

03 碳纖維集成多接觸電極用于5-HT感測(cè)

為了應(yīng)對(duì)所面臨的挑戰(zhàn)，UNC的研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了一種專(zhuān)用于5-HT感測(cè)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(gè)電極均保持獨(dú)立，成功克服了先前設(shè)計(jì)的局限性。MCCFEs具備眾多的電活性位點(diǎn)、適當(dāng)?shù)目估瓘?qiáng)度以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性，這些特性對(duì)于基于纖維平臺(tái)的電化學(xué)感測(cè)效率至關(guān)重要。通過(guò)初始的超聲波處理，團(tuán)隊(duì)誘導(dǎo)了碳纖維的空化，促進(jìn)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(qiáng)了電解質(zhì)的滲透性。

MCCFEs的開(kāi)發(fā)標(biāo)志著電化學(xué)感測(cè)技術(shù)的一個(gè)里程碑。其設(shè)計(jì)的改進(jìn)和功能的增強(qiáng)，為進(jìn)行更精確、更可靠的分析物檢測(cè)開(kāi)辟了新的可能性，為科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基石。