直写式三维打印生物电子研究进展综述

近年来，对于个性化健康监测、远程疾病管理以及实时生理数据收集的需求日益增加，促进了可穿戴以及植入式相关的生物电子的快速发展。通过采用先进的加工制造方案，可以实现新型材料与复杂结构的可控制备。其中，三维打印，也称增材制造，作为一种新兴的制造技术，为下一代生物电子发展带来了更多的可能性。

为了更为全面的展示现阶段三维打印生物电子的最新发展，加州理工学院高伟教授课题组针对直写式三维打印方案，聚焦于该领域中快速发展迭代的方法、材料以及应用，展示了通过三维打印制造的各种生物电子器件，包括可穿戴生物传感器（聚焦于物理信号、化学信号以及电生理信号的采集、可穿戴能量器件（能量采集设备和能量存储设备、多模态集成化微系统）、可植入电子设备（生理信号监测和可控电刺激、以及软体机器人等），并进一步讨论了直写式三维打印生物电子在个性化医疗健康领域所面临的挑战及应用前景。

该综述以“Direct-ink-writing 3D-printed bioelectronics”题为，发表在Materials Today期刊上，并受到杂志亮点报道。该综述第一作者为加州理工学院博士后Roland Tay与宋宇，通讯作者为加州理工学院医学工程系助理教授高伟。

 

图1 直写式三维打印概述

图2 用于直写式三维打印生物电子的功能化材料

图3 基于三维打印的可穿戴多模态生物电子系统

 

图4 基于三维打印的可植入生物电子器件

  该领域下一阶段的发展趋势将是构建系统级全兼容的三维打印集成系统，通过进一步简化加工工艺以整合更多设备，实现大规模批量化生产和商业化运营的最终目标。因此，一方面需要加强定制化多功能油墨材料的研究以开发可扩展的设计结构，并完善打印前后过程中材料的兼容性，另一方面要确保三维打印生物电子的可重复性，已满足临床应用转化的要求，这也取决于定制化油墨制备存储过程中的一致性和稳定性。

  显然，三维打印在生物医学工程领域展现出了令人兴奋的机遇，通过新型油墨的拓宽来增强器件的功能，并通过可控的高精度、多喷嘴打印方式，构建更为复杂的多模态集成系统。最终，具有高灵敏度理化传感功能的面向皮肤界面的可穿戴生物传感器能够实时监测各类生物标志物，以实现持续非侵入的健康监测，配合可穿戴能量采集和存储模块实现长时间稳定可靠工作，最终将采集得到的信息与机器学习算法和数据分析相结合，实现健康状况的个性化预测，并提供更为高效准确的远程医疗干预。

审核编辑：刘清