3Dプリントバイオメディカルセンサーの手法のレビュー

出典: 3Dプリンティングビジネス情報

センサーの製造は進歩し続けていますが、依然として障壁が残っており、さまざまな方法でセンサー製造が多くの用途で真の可能性を実現するのを妨げています。3D プリントの登場により、センサーをより合理化された低コストのプロセスに設計できるようになり、製造ステップが削減され、デジタルで生成できる正確なプロトタイプを作成するために必要な工数が削減されます。 3D プリントされたセンサーはより強力で耐久性が高いことが多く、血圧や心拍数、呼吸、体温、脳活動などの監視に有望であることが示されています。

(A) 熱溶解積層法 (B) 光造形法 (C) マルチジェットプロセス (D) 選択的レーザー焼結法 (E) 3D インクジェット印刷 (F) デジタル光処理。現在、センサーの製造には以下のプロセスが効果的に使用されています。
1. 熱溶解積層法（FDM）
2. ステレオリソグラフィー（SLA）
3. ポリジェットプロセス
4. 選択的レーザー焼結（SLS）
5. 3Dインクジェット印刷
6. データ漏洩防止（DLP）
「6つのタイプのうち、最も一般的なタイプはFDMで、これは主に電気化学センシング目的のプロトタイプの開発に使用されます」と研究者らは述べています。「FDM、SLA、インクジェット印刷などの他のタイプも、低解像度で開発できるため、プロトタイプの形成に検討されました。ポリジェットとSLSプロセスは、主に細胞培養用途のセンサーの形成に使用されます。」

(a) 慣性集束分離法で捕獲された細菌の模式図。 (b) 台形断面を持つチャネル内の渦の表現。 (c) 3Dプリントされたマイクロ流体デバイスの写真。ポリジェット 3D プリントでは、硬化プロセスによって部品が作成されます。FDM 3D プリントと同様に、複数のノズルを使用できます。「印刷には複数のプリントヘッドが使用されるため、単一の構造で多色のオブジェクトを構築できます。このプロセスの主な利点の 1 つは、0.1 mm 未満の精度でプロトタイプを 16 μm の高解像度で作成できることです。」

ポリジェット 3D プリンティングを使用することで、細胞生存率センサーに基づく流体デバイスや、漏れ防止の 3D プリントストレージデバイスなどの革新的な製品が開発されました。その他のセンサーは、ATP およびドーパミン感知用のポリジェット 3D プリント、生理学的センサー、電気化学センサー、生体適合性センサーによって作成されています。

SLS 印刷では、AM プロセスで金属粉末を使用します。
レーザービームの局所的なエネルギーを利用するには、粒子の周囲を溶かすために一定のレーザー出力が必要です。未使用の粉末は、3D プリントされた部品のサポート構造として使用されます。各層をスキャンした後、構造を下げて新しい粉末層を広げます。この粉末層は、コンピュータ支援設計 (CAD) 設計に従ってスキャンされる場合があります。研究者らは、SLS では金属粉末粒子だけでなく、セラミックやポリマー、あるいはそれらの組み合わせも使用できると述べています。

SLS 3D プリントの利点は、さまざまな材料を使用でき、粉末をリサイクルすることもできることです。著者らは、細胞密度センサーはすでに作成されており、それを拡張して細胞の「摂動」を操作したり、化学物質を分配したり、酵素の検出を制御したりできる可能性があると説明している。

3D プリントされた制御ユニットの適応型 P コントローラーの継続的な再調整。 (A) 溶液の pH を制御するための定義されたアルゴリズムを備えた 3D プリントフラスコ。 (B) 3Dプリントされたフラスコの内部。 (C) 散乱光の振幅、pH値、強度の経時変化。

3D インクジェット印刷は、強力で複雑な構造の作成に役立ちます。たとえば、研究者たちは 3D プリントされたバイオニック耳などのアイテムを作成することに成功しました。他の研究者は、空間的および時間的反応を感知するための心臓構造の形状をしたアクチュエータ統合型 3D 弾性多機能生体膜などのプロジェクトを作成しました。

(A) 3D プリントされたバイオニック耳。 (B) 体外培養中の 3D プリントされたバイオニック耳の画像。 (C) 印刷プロセスのさまざまな段階での軟骨細胞の生存率。 (D) 培養された印刷された耳の重量の経時的変化。耳はそれぞれ赤と青で示され、軟骨細胞を播種したアルギン酸またはアルギン酸のみで構成されています。 (E) H&E染色を用いた軟骨細胞形態の組織学的分析。 (F) 新軟骨組織を10週間培養した後、サフラニンOで染色した。 (G) コイルのアンテナによる新しい軟骨組織の活力と、(H) 電極と接触している内側の軟骨組織の活力を示すバイオニック耳の断面。

「各プロセスには、製造コストと時間、処理できる材料の種類、形成できるプロトタイプの点で独自の利点と欠点があります」と研究者らは結論付けました。「また、現在のボトルネックのいくつかと、それに対処するための解決策についても触れています。最後に、センサーやその他の電子機器の開発に使用されるさまざまな種類の 3D 印刷技術に対する現在の支出と今後の支出に関する市場調査を実施します。」

しかし、3D プリンティングはエレクトロニクス分野、特にセンサーに大きな影響を与えています。当社は長年にわたり、3D プリントにおけるサイバー攻撃の防御から光ファイバーの製造、あるいは植物の水分摂取量の測定といった単純だが科学的な問題への取り組みまで、さまざまな用途における監視と機能性を向上させるさまざまなセンサーを開発してきました。

(a) 3D プリントされたスマートフォンアダプター (b) 3D プリントされたカートリッジとスライドカバー。 (c) BL信号の取得と分析のための組み立てられたスマートフォンベースのデバイス。

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