在体3D打印植入生物体电子结构

当前，使用可植入式医疗器件如起搏器、除颤器、人工电子耳蜗等已是治疗一系列疾病的有效手段，有数以百万计的人们从这些发明中受益。然而，传统的医疗器件普遍较硬，常使患者有不舒适的感觉，并且，植入这些器件也需要高昂的手术及后续维护费用。为部分解决这一问题，笔者实验室首次提出了一项可在生物体中实现在体3D打印电子器件的方法［35］，该研究也是第一次提出注射电子学的概念，这一概念两年之后再次在国际上被其他学者提出。

生物体内的3D医疗电子器件可以通过将有生物兼容性的封装材料和液态金属顺次注入而得到，这里所用的液态金属是具有生物兼容性的镓基合金，非金属材料则是可注射并能生物降解的凝胶，这样一种不同材料的结合方式可被看作是复合式3D打印。图12.4a展示了在猪肉组织中直接注射液态金属和封装材料以形成可植入式生物电极的3D打印方法，这样的打印技术已在离体的猪肉组织（图12.4b）、在体的鼠（图12.4c～12.4e）和蛙中得到实现。在这些植入手术之后，我们就可以测量3D注射电极的ECG信号，鼠在麻醉5 min和10 min之后其ECG信号已变得非常接近，包括1个P波、1个QRS复合波和1个ST段组成（图12.4f）。测得的心跳和QT间隔分别是630 bpm和66.0 ms。此外，也可以用这个电极对鼠进行电刺激。当刺激信号设为0.6 mV和1.2 mV时，ECG信号在PQ间隔内变化明显（图12.4g），由于较大的电刺激将引发鼠的肌肉痉挛，当刺激信号电压设为1.3 mV时，不能观察到明显的ECG信号变化。以上结果显示，注射式3D打印电极在实际应用中展现出良好的电学性能和实用性。此外，蛙的坐骨神经模型也被用于测试注射电极的性能，测试中电极与神经相连并传导信号。通过这些测试，证明了注射式电极能够作为导电媒介将电信号传导至坐骨神经，从而引发腓肠肌收缩。导电聚合物是一种有良好电导率和生物兼容性的材料，经研究证明，这种材料可以沉积在神经假体装置的表面［36］，不但能够充当电极和软组织间的缓冲层，也能够快速传导电信号。所以，导电聚合物在未来可以和注射式3D电极结合起来研究以替代凝胶。

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图12.4　医疗电子器件的注射式3D打印［35］

a.通过在猪肉组织中直接打印液态金属和封装材料来制作可植入式生物电极；b.离体猪肉组织中的可打印电极；c、d.使用注射式电极测量鼠的ECG信号的在体实验；e.向实验小鼠传导电刺激；f.在实验小鼠麻醉5 min和10 min之后记录的ECG信号；g.在对小鼠进行频率为10 Hz，幅度分别为0.6 mV、1.2 mV和1.3 mV的电刺激时所记录的ECG信号。

离体和在体实验均说明了3D打印柔性电子器件的可行性，基于液态金属的组织3D打印提供了进行微创医疗植入的新途径，使其具有一系列的生物和医疗用途。显然，长期来说，应对液态金属、封装材料和生物组织、细胞或血管之间的兼容性给予足够的重视。