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)集中學習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標記估計離線學習模型中的參數(shù)，在線恢復(fù)保形刀具路徑幾何。

對于離線學習，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標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)系的點云訓練數(shù)據(jù)集，并使用機器學習算法來學習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方式跟蹤基準標記（圖1B）。標記位置允許基于學習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。