Aerosol Jet 3D打印软传感器的植入式无线无电池血管电子设备

科技 06-18 来源： 3D数字化

Sci. Adv.：Aerosol Jet 3D打印软传感器的植入式无线无电池血管电子设备，可对血流动力学进行多重传感|云尚智造

原创云尚智造云尚智造 2022-06-17 14:21 发表于北京

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通过无线植入装置对血流动力学的持续监测将改善血管疾病的治疗。然而，对尺寸、无线操作和与血管内手术的兼容性的苛刻要求限制了血管电子学的发展。在这里，我们报道了一种可植入的无线血管电子系统，由多材料感应支架和打印的软传感器组成，能够实时监测动脉压、脉冲率和流量，而不需要电池或电路。支架设计的发展实现了一个增强的无线平台，同时匹配传统的支架力学。全3D打印的压力传感器显示快速响应时间，高耐久性，和在小弯曲半径的传感。该设备通过感应耦合监测，在通信距离明显大于以前的血管传感器。无线电子系统在动脉模型中得到了验证，而微创导管植入在兔体内研究中得到了验证。总的来说，血管系统为血流动力学的全面监测提供了一个可适应的框架。

血管疾病是死亡的主要原因，占全球死亡人数的30%以上。疾病和条件，如高血压、动脉粥样硬化和动脉瘤，发生在整个血管系统，包括直径从几毫米到厘米的动脉，曲率不同。血压和血流速率，以及其他血流动力学，都被监测，以跟踪疾病的进展和治疗。然而，目前的血液动态监测方法，包括血管造影、磁共振成像、多普勒超声和导管，由于有限和重复的监测周期和患者固定，提供了狭窄和不完整的血管健康视图。虽然连续的血流动力学监测已被证明可以改善患者的预后，但现有的临床设备由于其庞大的包装和刚性材料而提供的传感能力有限。这些设备仅适用于心脏、腹部动脉瘤和肺动脉内的压力监测，且与其他动脉不相容。总的来说，血管电子的发展动脉传感受到严格的要求植入和操作，包括提供足够的无线能力与灵活，小型化，低轮廓系统将自己在动脉和兼容微创导管植入。可伸缩和柔性电子设备的进步为形成无线动脉传感器提供了一种手段。最近的一项工作以血管吻合为目标，展示了一种袖带型的柔性脉冲传感器，柔性脉搏传感器，缝合在动脉外，无线天线向外延伸。在导管兼容性方面，工作已经开发了基于支架的系统，因为支架提供了一个可植入的主干，并且经常被使用，每年有超过300万人植入心血管动脉。基于支架的系统已经将无线传感器连接到支架上，并将支架用作无线天线。然而，所有现有的设备都在需要内存模块、显示低无线距离或在植入过程中显示脆弱性方面存在缺陷。

本文报道了一种由无线支架平台组成的血管电子系统，以满足植入和操作的要求。该设备通过感应耦合进行无线操作，可以实时、同时监测压力、脉搏率和流量，这为检测各种血管状况提供了机会。一种激光加工过程形成多材料感应支架，解决了在保持关键支架力学的同时实现无线连接的关键挑战。软压力传感器是通过气溶胶喷射（Aerosol Jet）3D打印完全制造，并与支架共形集成。使用打印弹性体模式的电介质使快速响应时间和压力感应即使弯曲半径为0.25 mm，这是一个关键的进步灵活的压力传感器通常不证明感觉在弯曲或降低弯曲半径高达几十毫米。该无线设备与传统的支架植入术程序兼容，在空气和血液中显示出5.5 cm和3.5 cm的读出距离，比现有的支架设备的无线距离提高了2-3倍。设备性能在具有脉动血流的仿生硅胶动脉中进行评估。在兔子模型上进行的一项体内研究表明，在髂动脉中植入具有颈动脉通路的微创导管。

材料和方法

诱导性支架的制造

诱导性支架是用飞秒激光（Optec）在导管切割台上制作的。外径为2.1 mm、壁厚为76 um的不锈钢管（Vita Needle）是第一台使用60%功率、速度为3.6 mm s−1的激光加工管和5道次为连接器形成孔的激光加工。

软压力传感器的制造

使用气溶胶喷射3D打印系统 (Optomec Aerosol Jet 200) 打印传感器层。首先，将一层聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA；MicroChem）以 3000 rpm 的转速旋涂在载玻片上 30 秒，然后在 180°C 下固化 3 分钟。PI的支撑层通过气溶胶喷射3D打印系统的气动雾化器打印，参数见表S1。PI 墨水在 PI 与 1-甲基-2-吡咯烷酮 (Sigma-Aldrich) 的 3.5:1 混合物中形成。然后将 PI 的底层在 240°C 的烘箱中固化 1 小时。固化后，将打印的 PI 等离子体处理 1 分钟，然后通过超声波雾化器打印 AgNP 墨水（UTDOTS，AgNP40X），参数见表 S1。AgNP层在240°C下烧结1小时。烧结后，用相同的参数印刷和固化顶层 PI。然后在传感器的底部电极区域上使用气动雾化器和表 S1 中的参数打印 PDMS (Sylgard 184, Dow Corning)。PDMS 油墨是用 10:1（碱固化）PDMS 和甲苯 (StarTex) 的 18:4 混合物形成的。印刷的 PDMS 在 100°C 下固化 1 小时。打印后，将载玻片盖上并置于丙酮浴中至少 1 小时以溶解下面的 PMMA 层。从丙酮浴中取出后，传感器被转移并用镊子对准弹性体。为了转移，首先将底部电极放置在弹性体上，使 PDMS 介电层朝上。然后将顶部电极对齐并堆叠在底部电极的顶部。沿着互连线施加并固化少量的 PDMS，以将传感器层保持在弹性体基板上的适当位置。为了密封传感器，切割一块弹性体基板并将其层压在电极区域上。在对覆盖电极的弹性体片施加压力的同时，沿边缘和互连注入少量 PDMS 并使其固化。固化后，将组装和密封的传感器从塑料盘中取出。铜线用银漆连接到互连上，用于有线传感。传感器安装在支架内部进行无线感应，并用银漆连接到支架的两端和支架的中心。少量的 PDMS 用于绝缘电气连接并沿传感器长度提供额外的连接点。

图文导读