美國陸軍科學家談如何3D打印生物傳感器

魔猴君  行業(yè)資訊   1469天前

為士兵配備的生物監(jiān)測設備看起來可能像是電影《賽博朋克2077》中的設備，但是美國陸軍使用3D打印技術將該技術快速推向了2020年。ARL開發(fā)了新穎的多功能生物傳感器，并且可以對士兵進行生理跟蹤有可能使他們對實地局勢威脅有更深入的認識。

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的發(fā)展，美國陸軍已經(jīng)越來越多地開發(fā)出保護其人員免受生物武器污染的方法。利用ARL小組的3D打印傳感器，現(xiàn)在可以在戰(zhàn)場上檢測武器化的毒素，細菌或病毒，從而為士兵提供最大的生存機會。美國陸軍研究實驗室（ARL）的約書亞·烏扎爾斯基（Joshua Uzarski）解釋說：“保形3D打印可以在人體皮膚等生物表面上快速且可定制地制造微流體設備。監(jiān)視戰(zhàn)士的身體狀態(tài)的能力可以使他們暫時需要從戰(zhàn)場上安全地撤離，從而使判斷力從士兵手中移開。”

盡管近年來已經(jīng)嘗試了幾種類似的“芯片實驗室”技術，但Uzarski卻是第一個被開發(fā)成可現(xiàn)場使用的設備的技術。 Uzarkski在ARL的六年中曾領導過其他兩個生物傳感器項目，是表面化學專家，但自從與明尼蘇達大學（UMN）合作以來，他取得了重大進展。

CCDC和UMN的研究目標和抱負是什么？

約書亞·烏扎爾斯基（Joshua Uzarski）：士兵中心多年來一直致力于基于陣列的生物傳感器的研究，但沒有能力將這些發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刹渴鸬钠脚_。 UMN提供了工程專業(yè)知識來推動微流體技術向前發(fā)展，從而可以幫助將傳感器思想轉(zhuǎn)變?yōu)榭涩F(xiàn)場使用的設備，包括紡織品（用于制服），便攜式現(xiàn)場設備，甚至在皮膚上進行生理監(jiān)測。

此類設備在軍事應用中的潛在優(yōu)勢是什么？

JU：好處包括能夠創(chuàng)建更現(xiàn)場且與基于生物的檢測兼容的傳感器設備。當前大多數(shù)技術都需要平坦，堅硬且通常很重的材料，這些材料無法轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場材料。這些新型設備可以在柔軟，柔性和輕質(zhì)的材料（例如紡織品和皮膚）上創(chuàng)建。

此外，它們相對于現(xiàn)有技術的良好制造條件（例如高溫和苛刻的化學處理）以及消除了支持材料，使得可以包含敏感的生物分子用于傳感器診斷測試。這些包括對水質(zhì)和/或戰(zhàn)劑的環(huán)境觀察以及生理狀態(tài)監(jiān)測。

如果用作“芯片實驗室”診斷工具，您的工具與我們之前看到的有何不同？

JU：自支撐微流控技術的幾種功能使其在用于“芯片實驗室”應用時優(yōu)于以前的方法。常規(guī)裝置通常需要大塊的固化聚合物來包裹微流體通道，從而導致體積大。相比之下，我們的3D打印微流體傳感器具有簡潔的配置，它由感測基板和3D打印的有機硅通道組成。

我們的設備也沒有嚴格的無塵室制造要求，例如設備的仔細對準（通常需要更多的材料），同時提供有限的復用功能。與其他片上實驗室設備相比，我們制造方法的靈活性

研究人員的3D打印微流體設備可能具有潛在的軍事監(jiān)視應用程序

您的新型增材制造方法有何獨特之處，其優(yōu)勢是什么？

我們的方法能夠根據(jù)目標表面的幾何形狀設計打印刀具路徑，并將微流體網(wǎng)絡直接“寫入”到表面上。保形印刷還使得能夠在諸如人類皮膚的生物表面上快速且可定制地制造微流體裝置。諸如立體平版印刷術（SLA）和噴墨打印之類的先前技術使用可紫外線固化的樹脂來產(chǎn)生微流體芯片，這些微流體芯片通常在材料固化后便是剛性的。通過印刷諸如室溫硫化（RTV）硅酮之類的高彈性材料，我們的方法可創(chuàng)建柔性且可拉伸的微流體結(jié)構(gòu)，斷裂應變高達350％。

而且，由于結(jié)構(gòu)是自支撐的，因此微流體設備可以直接對準并打印在功能化的傳感陣列上，從而使傳感元件無污染。相比之下，通過其他3D打印方法制造的微流控設備通常會在通道中臨時填充殘留的樹脂或支撐材料，這會污染傳感表面。

與其他微流體制造方法相比，快速原型技術還可以縮短周轉(zhuǎn)時間，例如使用PDMS進行軟光刻，使用塑料進行機加工或注塑成型以及使用紙質(zhì)基材進行印刷。這有助于加快開發(fā)速度，以朝著實際產(chǎn)品和應用程序發(fā)展。

您開發(fā)的技術有何潛力，尤其是在軍事環(huán)境中？

JU：擁有性能更好，戰(zhàn)斗員負擔更少的環(huán)境和物理監(jiān)視傳感器的能力，將為形勢意識提供越來越多的信息。例如，知道水源被立即污染而沒有在現(xiàn)場都攜帶笨重且耗電的設備，而獲得快速響應是一個重大的潛在突破。

此外，監(jiān)視戰(zhàn)士的身體狀態(tài)的能力可以使他們在需要時安全地從戰(zhàn)場上撤離，這也使判斷力從士兵的手中移開。這項新技術使我們朝著這些愿景前進。目前，對于這些類型的需求，要么是不切實際的技術，要么根本沒有。

在這一研究領域是否有繼續(xù)計劃？如果是這樣，如何發(fā)展和增強該技術？

現(xiàn)在，在軍事應用方面，已經(jīng)有一些研究建議可用于使用該技術對特定毒素，細菌和病毒進行生物檢測。這將是模塊化的，因為它可以在以后進行預編程，并使用模式識別響應進行修改以檢測不同的特定目標。可以利用該技術來創(chuàng)建未來的“按需”傳感器，并在現(xiàn)場快速打印所有組件，以應對特定環(huán)境的威脅。

來源：https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/guowaikuaidi/39747.html