美國(guó)陸軍科學(xué)家談如何3D打印生物傳感器

魔猴君  行業(yè)資訊   1480天前

為士兵配備的生物監(jiān)測(cè)設(shè)備看起來(lái)可能像是電影《賽博朋克2077》中的設(shè)備，但是美國(guó)陸軍使用3D打印技術(shù)將該技術(shù)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(duì)士兵進(jìn)行生理跟蹤有可能使他們對(duì)實(shí)地局勢(shì)威脅有更深入的認(rèn)識(shí)。

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)展，美國(guó)陸軍已經(jīng)越來(lái)越多地開發(fā)出保護(hù)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(chǎng)上檢測(cè)武器化的毒素，細(xì)菌或病毒，從而為士兵提供最大的生存機(jī)會(huì)。美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）的約書亞·烏扎爾斯基（Joshua Uzarski）解釋說(shuō)：“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(shè)備。監(jiān)視戰(zhàn)士的身體狀態(tài)的能力可以使他們暫時(shí)需要從戰(zhàn)場(chǎng)上安全地撤離，從而使判斷力從士兵手中移開。”

盡管近年來(lái)已經(jīng)嘗試了幾種類似的“芯片實(shí)驗(yàn)室”技術(shù)，但Uzarski卻是第一個(gè)被開發(fā)成可現(xiàn)場(chǎng)使用的設(shè)備的技術(shù)。 Uzarkski在ARL的六年中曾領(lǐng)導(dǎo)過(guò)其他兩個(gè)生物傳感器項(xiàng)目，是表面化學(xué)專家，但自從與明尼蘇達(dá)大學(xué)（UMN）合作以來(lái)，他取得了重大進(jìn)展。

CCDC和UMN的研究目標(biāo)和抱負(fù)是什么？

約書亞·烏扎爾斯基（Joshua Uzarski）：士兵中心多年來(lái)一直致力于基于陣列的生物傳感器的研究，但沒(méi)有能力將這些發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刹渴鸬钠脚_(tái)。 UMN提供了工程專業(yè)知識(shí)來(lái)推動(dòng)微流體技術(shù)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(chǎng)使用的設(shè)備，包括紡織品（用于制服），便攜式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，甚至在皮膚上進(jìn)行生理監(jiān)測(cè)。

此類設(shè)備在軍事應(yīng)用中的潛在優(yōu)勢(shì)是什么？

JU：好處包括能夠創(chuàng)建更現(xiàn)場(chǎng)且與基于生物的檢測(cè)兼容的傳感器設(shè)備。當(dāng)前大多數(shù)技術(shù)都需要平坦，堅(jiān)硬且通常很重的材料，這些材料無(wú)法轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場(chǎng)材料。這些新型設(shè)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(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的良好制造條件（例如高溫和苛刻的化學(xué)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(cè)試。這些包括對(duì)水質(zhì)和/或戰(zhàn)劑的環(huán)境觀察以及生理狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

如果用作“芯片實(shí)驗(yàn)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(shù)的幾種功能使其在用于“芯片實(shí)驗(yàn)室”應(yīng)用時(shí)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(lái)包裹微流體通道，從而導(dǎo)致體積大。相比之下，我們的3D打印微流體傳感器具有簡(jiǎn)潔的配置，它由感測(cè)基板和3D打印的有機(jī)硅通道組成。

我們的設(shè)備也沒(méi)有嚴(yán)格的無(wú)塵室制造要求，例如設(shè)備的仔細(xì)對(duì)準(zhǔn)（通常需要更多的材料），同時(shí)提供有限的復(fù)用功能。與其他片上實(shí)驗(yàn)室設(shè)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(shè)備可能具有潛在的軍事監(jiān)視應(yīng)用程序

您的新型增材制造方法有何獨(dú)特之處，其優(yōu)勢(shì)是什么？

我們的方法能夠根據(jù)目標(biāo)表面的幾何形狀設(shè)計(jì)打印刀具路徑，并將微流體網(wǎng)絡(luò)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(shù)（SLA）和噴墨打印之類的先前技術(shù)使用可紫外線固化的樹脂來(lái)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(guò)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(yīng)變高達(dá)350％。

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

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

您開發(fā)的技術(shù)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(fù)擔(dān)更少的環(huán)境和物理監(jiān)視傳感器的能力，將為形勢(shì)意識(shí)提供越來(lái)越多的信息。例如，知道水源被立即污染而沒(méi)有在現(xiàn)場(chǎng)都攜帶笨重且耗電的設(shè)備，而獲得快速響應(yīng)是一個(gè)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?cè)谛枰獣r(shí)安全地從戰(zhàn)場(chǎng)上撤離，這也使判斷力從士兵的手中移開。這項(xiàng)新技術(shù)使我們朝著這些愿景前進(jìn)。目前，對(duì)于這些類型的需求，要么是不切實(shí)際的技術(shù)，要么根本沒(méi)有。

在這一研究領(lǐng)域是否有繼續(xù)計(jì)劃？如果是這樣，如何發(fā)展和增強(qiáng)該技術(shù)？

現(xiàn)在，在軍事應(yīng)用方面，已經(jīng)有一些研究建議可用于使用該技術(shù)對(duì)特定毒素，細(xì)菌和病毒進(jìn)行生物檢測(cè)。這將是模塊化的，因?yàn)樗梢栽谝院筮M(jìn)行預(yù)編程，并使用模式識(shí)別響應(yīng)進(jìn)行修改以檢測(cè)不同的特定目標(biāo)。可以利用該技術(shù)來(lái)創(chuàng)建未來(lái)的“按需”傳感器，并在現(xiàn)場(chǎng)快速打印所有組件，以應(yīng)對(duì)特定環(huán)境的威脅。

來(lái)源：https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/guowaikuaidi/39747.html