Science子刊：直接在活體器官表面3D打印柔性傳感器

來源：先進功能材料

近年來，三維（3D）打印技術(shù)得到了快速的發(fā)展。展望未來，人們期待可以通過3D打印技術(shù)，在皮膚上甚至身體內(nèi)部制造柔軟、順應(yīng)性的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和傳感器，從而推進個性化患者健康監(jiān)測、傷口治療以及改善器官功能。例如，在活體中對肺部變形進行時空監(jiān)測，可用于為呼吸力學(xué)研究、慢性肺病診斷和肺癌治療提供有價值的信息。在活體器官上，直接打印兼容的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的能力，可以有利于患者監(jiān)測和傷口治療，這需要3D打印機適應(yīng)生物表面的各種變形（而且是動態(tài)的）。

美國明尼蘇達大學(xué)的科研人員開發(fā)了一種原位3D打印系統(tǒng)，可以用于監(jiān)測目標(biāo)器官表面的運動和變形，以實時調(diào)整刀具路徑。通過使用這種打印系統(tǒng)，可以成功地將水凝膠基傳感器打印在動態(tài)呼吸下的豬肺上（活體）。該傳感器與組織表面相適應(yīng)，并通過電阻抗斷層掃描（EIT）提供對動態(tài)變形的連續(xù)空間映射。這種自適應(yīng)3D打印方法，可以通過增材制造功能增強機器人輔助醫(yī)療，從而實現(xiàn)可穿戴電子設(shè)備和生物材料在人體內(nèi)外的自主和直接打印。相關(guān)研究工作以題為“3D printed deformable sensors”發(fā)表在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Science Advances (IF=13.116)上。

研究人員在之前的工作中，演示了對目標(biāo)表面剛體運動的實時跟蹤，包括總共6個用于平移和旋轉(zhuǎn)的自由度（DoF）。這種閉環(huán)策略可以直接在沒有表面變形的移動物體上打印，例如人的手背。

本文提出了一種更高級的打印程序：可在動態(tài)變形表面上打印，作者通過將視覺傳感系統(tǒng)與3D打印機集成，來實時跟蹤隨3D幾何形狀，在可變形肺上制造電阻抗斷層掃描（EIT）應(yīng)變傳感器。

作者通過兩階段程序：（1）首先，從離線預(yù)掃描數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)表面幾何的低維參數(shù)模型，以降低后續(xù)在線過程的計算復(fù)雜度；（2）然后，通過使用立體相機實時測量的一組稀疏基準(zhǔn)標(biāo)記估計離線學(xué)習(xí)模型中的參數(shù)，在線恢復(fù)保形刀具路徑幾何。

對于離線學(xué)習(xí)，研究人員采用了具有亞毫米級精度和分辨率的結(jié)構(gòu)光3D掃描儀。3D掃描儀獲得了具有基準(zhǔn)標(biāo)記的變形肺的多次高保真3D掃描（圖1A）。在3D掃描的基礎(chǔ)上，作者構(gòu)建了一個數(shù)據(jù)樣本之間具有逐點對應(yīng)關(guān)系的點云訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，并使用機器學(xué)習(xí)算法來學(xué)習(xí)表面變形的線性形狀基礎(chǔ)模型。對于在線跟蹤，立體攝像頭系統(tǒng)由一對具有高采樣率（最大149 Hz）和可調(diào)焦距（~0.1 m）的同步機器視覺攝像頭組成，以3D方式跟蹤基準(zhǔn)標(biāo)記（圖1B）。標(biāo)記位置允許基于學(xué)習(xí)的變形模型完全恢復(fù)形狀變形。這種重建被用作輸入來實時估計用于在呼吸肺上進行自適應(yīng)打印的適形工具路徑（圖1C）。打印的 EIT 應(yīng)變傳感器符合肺的變形，可以提供肺變形的原位時空映射（圖1D）。

圖1、在呼吸肺上原位3D打印EIT傳感器的過程。

（A）肺表面3D掃描示意圖。

（B）呼吸肺的實時跟蹤。

（C）水凝膠墨水在呼吸肺上的自適應(yīng)打印。

（D）肺變形的原位監(jiān)測EIT傳感器。

圖2、用于變形評估的閉環(huán)AI。

（A）從3D掃描計算共形刀具路徑。

（B）在PCA分析中具有四個最大特征值的形狀基向量。

（C）3D掃描與基于兩個、四個和六個SBV以及3、6和12個標(biāo)記重建的估計形狀之間的位置誤差。

（D）跟蹤相機的快照圖像，顯示了圓形標(biāo)記的實時檢測（藍色方塊為動態(tài)搜索窗口，綠色輪廓為圓形標(biāo)記的周長，綠色點為檢測圓的中心），估計的肺部姿勢，以及噴嘴尖端沿共形刀具路徑的航路點（藍點）。

（E）從呼吸肺收集的四個擬合變形參數(shù)的時間序列。

圖3、EIT可變形傳感器的設(shè)計和表征。

（a）基于水凝膠的EIT傳感器分層設(shè)計的示意圖。

（b）具有八個電極的EIT系統(tǒng)外圍操作電路的示意圖。

（c）帶有用于變形驗證的標(biāo)記的EIT傳感器的照片。

（d）對于從六個變形狀態(tài)收集的所有數(shù)據(jù)點，作為2D-VS函數(shù)的估計誤差。

（e）作為時間函數(shù)的所有電極對的平均電壓測量值，帶有黑色邊框的彩色點顯示對應(yīng)于（d）中的點云的六種變形狀態(tài)。

（f）EIT傳感器表面的3D掃描，變形為20.4%平均2D-VS，以及相應(yīng)的EIT估計、3D掃描的地面實況和ROI內(nèi)2D-VS分布的EIT估計誤差（左到右）。

圖4、在豬肺上進行3D打印，用于原位監(jiān)測變形和在可變形的幻影面部上進行3D打印。

（a）使用結(jié)構(gòu)光3D掃描儀對豬肺進行3D掃描。

（b）定制3D打印龍門系統(tǒng)的照片。

（c）在豬肺上原位3D打印水凝膠墨水的照片。

（d）3D打印圓形水凝膠層的照片。

（e）帶有硅膠環(huán)和嵌入式電極的水凝膠層的紫外線固化。