Исследователи из Университета Кларксона в Нью-Йорке разработали специальную биочерку и применили ее для создания ряда совместимых с кожей 3D-печатных биосенсоров.

Новый дизайн чернил команды включает наночастицы титана, которые после воздействия УФ-излучения инициируют фотокаталитическую реакцию с цветными красителями, в результате чего гель меняет цвет. Используя свою новую смесь, ученые смогли напечатать на 3D-принтере благоприятные для кожи биосенсоры, которые позволяют пользователям минимизировать любой ущерб, вызванный потенциальным чрезмерным воздействием солнечных лучей.

«Мы решили изучить возможности 3D-биопечати для производства этих носимых УФ-сенсоров, поскольку 3D-принтеры стали недорогими и доступными», — сказала Сильвана Андрееску, один из авторов статьи. «Когда титан [сенсора] активируется ультрафиолетовым светом, например солнечным, краситель разлагается и меняет цвет, указывая на экспозицию».

clarkson university scientists develop 3d printed wearable biosensors for sun burn protection 3d printing industry 598339a Новый биочувствительный элемент команды Кларксона позволил им изготовить серию чувствительных к ультрафиолету биосенсоров. Фото из журнала Applied Materials and Interfaces.

Аддитивные решения проблем УФ

По данным Американского онкологического общества , у 1,7 миллиона американцев ежегодно диагностируется рак кожи, и только в 2020 году от меланомы погибнет около 6850 из этих пациентов. Следовательно, мониторинг уровня УФ-излучения, которому подвергаются люди, в настоящее время является важной областью исследований, но это также очень трудная задача, поскольку УФ-излучение имеет прерывистый характер.

Чтобы полностью понять пространственную и временную изменчивость УФ-лучей, команда Кларксона определила необходимость в быстрой и недорогой технологии обнаружения. Некоторые методы, такие как 3D-печать и литье под давлением, были признаны жизнеспособными, но исследователи выбрали первый из-за его более низкой стоимости, возможностей настройки и общей доступности.

Более того, биопечать все чаще используется для создания тканевых конструкций с биологическими функциями, что делает его идеальным для создания биосенсоров, активируемых ультрафиолетом. Однако, выбрав свой идеальный метод производства, команда также обнаружила, что потребуются новые биосовместимые чернила, чтобы обеспечить постоянный безопасный контакт с кожей, который потребуется.

clarkson university scientists develop 3d printed wearable biosensors for sun burn protection 3d printing industry 8f5a298 Визуальное представление о том, как частицы титана сенсоров реагируют на УФ-излучение. Изображение из журнала Applied Materials and Interfaces.

Реактивная биочинка команды Кларксона

Чтобы сделать свои биосенсоры возможными, ученым сначала пришлось создать новую биочерку, состоящую из фотоактивных наночастиц диоксида титана (TiO2) и разноцветных красителей, диспергированных в гидрогеле. В смесь также были добавлены альгинат и желатин, чтобы придать ей вязкость, необходимую для 3D-печати, и гелеобразную текстуру, которая сделает ее механически стабильной.

TiO2 был выбран из-за его фотокаталитических способностей, которые позволяют ему разлагать органические материалы посредством серии цепных реакций восстановления-окисления. В уменьшенной версии этого механизма команда стремилась инициировать разложение зеленого, оранжевого и синего красителей в своем датчике после воздействия УФ-излучения.

После того, как ученые оптимизировали дизайн своих устройств с помощью программного обеспечения САПР, они использовали 3D-биопринтер Allevi 2 для изготовления серии базовых прототипов, а затем перешли к тестированию. Чтобы оценить механическую стабильность и однородность своих 3D-печатных устройств, команда подвергла их наноиндентированию по пяти различным точкам.

clarkson university scientists develop 3d printed wearable biosensors for sun burn protection 3d printing industry 28e3224 Исследователи напечатали свои датчики на основе биополимеров с помощью 3D-принтера Allevi 2. Изображение предоставлено Allevi Inc.

Результаты показали небольшое отклонение твердости между моделями, что указывает на их сильные механические свойства и отражает высокое распределение частиц TiO2. Во время тестирования конечного продукта датчики также продемонстрировали любопытное поведение: разноцветные красители разлагались с разной скоростью до одного и того же уровня УФ-воздействия.

Основываясь на своих выводах, команда пришла к выводу, что их устройства можно настроить в соответствии с чувствительностью кожи или уровнем меланина пользователя, чтобы учесть их индивидуальные потребности в уходе за кожей. Кроме того, ученые обнаружили, что их датчики обладают способностью определять, подвергается ли предмет одежды или инструмент воздействию УФ-излучения, достаточного для того, чтобы считаться дезинфицированными.

В любом случае, будь то медицина или уход за солнцем, команда сочла свою биочерку и биосенсор недорогим, доступным и настраиваемым решением, которое может оказаться ценной платформой для будущих исследований.

Мониторинг тела и аддитивные биосенсоры

В последние годы исследователи разработали широкий спектр 3D-печатных биосенсоров, которые потенциально могут позволить пользователям внимательно следить за своим физическим здоровьем.

Ученые из Университета Сонгюнкван создали силиконовый эластомер с каркасом на основе сахара, который может быть использован в качестве основы для изготовления носимых медицинских биосенсоров . Эти устройства оказались очень чувствительными к мельчайшим изменениям электрического сигнала под кожей, в мышцах и в мозгу добровольцев.

Команда из Университета штата Вашингтон (WSU) использовала 3D-печать для создания устройства для определения уровня глюкозы в крови для пациентов с диабетом. Новые биосенсоры, ориентированные на пользователя, можно было переносить на кожу, и они оказались способными соответствовать изгибам человеческого тела.

Тем временем исследователи из солдатского центра CCDC изготовили биосенсоры, которые могут быть способны физиологически отслеживать благополучие американских войск. Микрожидкостные устройства также могут быть применены в полевых условиях в качестве средства защиты солдат от ситуационных угроз.

Выводы исследователей подробно описаны в их статье под названием « 3D-печатные датчики на основе гидрогеля для количественной оценки воздействия ультрафиолета », соавторами которой являются Абрахам Самуэль Финни, Синди Цзян и Сильвана Андрееску.

Чтобы быть в курсе последних новостей о 3D-печати, не забудьте подписаться на информационный бюллетень индустрии 3D-печати, подписаться на нас в Twitter или поставить лайк на нашей странице в Facebook .

Вы ищете работу в индустрии аддитивного производства? Посетите раздел «Работа в 3D-печати», чтобы узнать о вакансиях в отрасли.

На представленном ниже изображении показан один из датчиков солнечных ожогов исследовательской группы. Фото из журнала Applied Materials and Interfaces.

Теги Allevi Американское онкологическое общество Солдатский центр CCDC Университет Кларксона Сильвана Андрееску Университет Сунгюнкван Университет штата Вашингтон clarkson university scientists develop 3d printed wearable biosensors for sun burn protection 3d printing industry e971612

Пол Ханафи

Пол — выпускник факультета истории и журналистики со страстью к поиску последних новостей в сфере технологий.


Источник