美国陆军科学家谈如何3D打印生物传感器

时间：2020-11-03 08:34 来源：中国3D打印网作者：中国3D打印网阅读：次

     中国3D打印网11月3日讯，为士兵配备的生物监测设备看起来可能像是电影《赛博朋克2077》中的设备，但是美国陆军使用3D打印技术将该技术快速推向了2020年。ARL开发了新颖的多功能生物传感器，并且可以对士兵进行生理跟踪有可能使他们对实地局势威胁有更深入的认识。
         随着现代战争的发展，美国陆军已经越来越多地开发出保护其人员免受生物武器污染的方法。利用ARL小组的3D打印传感器，现在可以在战场上检测武器化的毒素，细菌或病毒，从而为士兵提供最大的生存机会。美国陆军研究实验室（ARL）的约书亚·乌扎尔斯基（Joshua Uzarski）解释说：“保形3D打印可以在人体皮肤等生物表面上快速且可定制地制造微流体设备。监视战士的身体状态的能力可以使他们暂时需要从战场上安全地撤离，从而使判断力从士兵手中移开。”
         尽管近年来已经尝试了几种类似的“芯片实验室”技术，但Uzarski却是第一个被开发成可现场使用的设备的技术。 Uzarkski在ARL的六年中曾领导过其他两个生物传感器项目，是表面化学专家，但自从与明尼苏达大学（UMN）合作以来，他取得了重大进展。
CCDC和UMN的研究目标和抱负是什么？
        约书亚·乌扎尔斯基（Joshua Uzarski）：士兵中心多年来一直致力于基于阵列的生物传感器的研究，但没有能力将这些发现转变为可部署的平台。 UMN提供了工程专业知识来推动微流体技术向前发展，从而可以帮助将传感器思想转变为可现场使用的设备，包括纺织品（用于制服），便携式现场设备，甚至在皮肤上进行生理监测。
此类设备在军事应用中的潜在优势是什么？
        JU：好处包括能够创建更现场且与基于生物的检测兼容的传感器设备。当前大多数技术都需要平坦，坚硬且通常很重的材料，这些材料无法转化为现场材料。这些新型设备可以在柔软，柔性和轻质的材料（例如纺织品和皮肤）上创建。
         此外，它们相对于现有技术的良好制造条件（例如高温和苛刻的化学处理）以及消除了支持材料，使得可以包含敏感的生物分子用于传感器诊断测试。这些包括对水质和/或战剂的环境观察以及生理状态监测。
如果用作“芯片实验室”诊断工具，您的工具与我们之前看到的有何不同？
         JU：自支撑微流控技术的几种功能使其在用于“芯片实验室”应用时优于以前的方法。常规装置通常需要大块的固化聚合物来包裹微流体通道，从而导致体积大。相比之下，我们的3D打印微流体传感器具有简洁的配置，它由感测基板和3D打印的有机硅通道组成。
        我们的设备也没有严格的无尘室制造要求，例如设备的仔细对准（通常需要更多的材料），同时提供有限的复用功能。与其他片上实验室设备相比，我们制造方法的灵活性还使集成3D结构，多路复用阵列和多种材料类型的复杂性更高。

研究人员的3D打印微流体设备可能具有潜在的军事监视应用程序

您的新型增材制造方法有何独特之处，其优势是什么？

       我们的方法能够根据目标表面的几何形状设计打印刀具路径，并将微流体网络直接“写入”到表面上。保形印刷还使得能够在诸如人类皮肤的生物表面上快速且可定制地制造微流体装置。诸如立体平版印刷术（SLA）和喷墨打印之类的先前技术使用可紫外线固化的树脂来产生微流体芯片，这些微流体芯片通常在材料固化后便是刚性的。通过印刷诸如室温硫化（RTV）硅酮之类的高弹性材料，我们的方法可创建柔性且可拉伸的微流体结构，断裂应变高达350％。
         而且，由于结构是自支撑的，因此微流体设备可以直接对准并打印在功能化的传感阵列上，从而使传感元件无污染。相比之下，通过其他3D打印方法制造的微流控设备通常会在通道中临时填充残留的树脂或支撑材料，这会污染传感表面。
        与其他微流体制造方法相比，快速原型技术还可以缩短周转时间，例如使用PDMS进行软光刻，使用塑料进行机加工或注塑成型以及使用纸质基材进行印刷。这有助于加快开发速度，以朝着实际产品和应用程序发展。
您开发的技术有何潜力，尤其是在军事环境中？
          JU：拥有性能更好，战斗员负担更少的环境和物理监视传感器的能力，将为形势意识提供越来越多的信息。例如，知道水源被立即污染而没有在现场都携带笨重且耗电的设备，而获得快速响应是一个重大的潜在突破。
        此外，监视战士的身体状态的能力可以使他们在需要时安全地从战场上撤离，这也使判断力从士兵的手中移开。这项新技术使我们朝着这些愿景前进。目前，对于这些类型的需求，要么是不切实际的技术，要么根本没有。
在这一研究领域是否有继续计划？如果是这样，如何发展和增强该技术？
        现在，在军事应用方面，已经有一些研究建议可用于使用该技术对特定毒素，细菌和病毒进行生物检测。这将是模块化的，因为它可以在以后进行预编程，并使用模式识别响应进行修改以检测不同的特定目标。可以利用该技术来创建未来的“按需”传感器，并在现场快速打印所有组件，以应对特定环境的威胁。

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