文摘
虽然添加剂制造技术,也被称为3 d打印技术,首先介绍了在1980年代,他们最近获得了非凡的流行由于降低了成本。3 d打印技术已经成为一个可行的技术在许多行业;特别是,它是一个很好的替代精密加工技术。精密加工技术通常需要昂贵的洁净室设备和熟练的工程师;然而,3 d打印技术可以大幅减少成本和时间。尽管3 d打印技术已经开始进入精密加工制造业和医疗应用,它通常仅限于创建机械结构如髋关节假体或牙科植入物。有兴趣可穿戴设备和增加可穿戴设备的关键部分是无创检测生物传感部分。在本文中,我们建立了一个3 d打印的传感器,可以测量脑电图和心电图斑马鱼。尽管无创测量生物从斑马鱼已经知道是很困难的,因为它是一个水下生物,我们能够成功地使用3 d打印的传感器获得电生理信息。这种3 d打印技术可以加快发展简单的非侵入式传感器使用负担得起的设备,并提供一位生理学家经济解决方案不熟悉复杂的精密加工技术。
1。介绍
虽然古典精密加工技术已经允许小型化的设备在广泛领域改编自集成电路(IC) nanoelectromechanical系统(NEMS),它是有限的在建立复杂的三维(3 d)的几何结构。有很多尝试开发技术来减少复杂的制造步骤但建立复杂的三维结构(1,2]。然而这些精密加工方法仍然需要高成本的设备和专业技术工程师。这仍然是一个大障碍的科学家需要微器件的研究但不熟悉精密加工技术。最近,添加剂制造技术,更好的被称为3 d打印,出现利益作为制造业的关键技术,一直被视为一个第三次工业革命3]。3 d打印机启用快速构建通用的形状以最小的基础设施通过计算机辅助设计(CAD)文件转换成一个物理对象的融合塑料、金属、陶瓷、粉末,甚至活细胞(4,5]。与这些优点,3 d打印技术已经开始使用中经常消费医疗行业等行业,食品行业,时尚产业6- - - - - -8),他们的市场价值预计到2018年将达到162亿美元(9]。
生物医学应用和医疗设备也获得重大利益,但3 d打印技术的医学应用主要限于创建结构假肢植入移植和组织工程(10- - - - - -13]。一个传感器是指任何设备获得的刺激感兴趣的对象,并返回一个电信号(14]。获得准确的信息从物理测量是诊断的关键。特别是,测量和量化这些电活动期间提供基本信息异常节律向监控健康状态的一种方式(电生理研究15]。一个传感器在检测电活动起着很大的作用;因此,一个传感器可以确定电生理结果的质量。
虽然试图制造干脑电图电极使用3 d打印技术,实现经典传感器制造技术没有取得这限制了使用较小的方法制造的对象(16]。3 d打印技术可以提供一个定制的产品增加成本效率和生产力。在非侵入性医疗设备的发展,高灵敏度传感器测量关键电生理信号,如提供的测量(EEG)和心电图(ECG) (17]。然而,传感器技术使用3 d印刷也没有取得什么进展,因为经典传感器制造技术不兼容塑料,这是最便宜和常见的材料用于3 d打印因为塑料很容易受到化学和热退化(18]。生物信号如脑电图、心电图、肌电图(EMG),和眼电图(小城镇),心电图和脑电图可以说说最重要的两个生命身体parts-namely,大脑和心脏。虽然EMG此次信号的振幅在毫伏范围、心电图和脑电图的振幅是微伏。因此,心电图和脑电图需要更敏感传感器由于小振幅的信号相比其他生物信号。
斑马鱼是一种越来越生理研究中使用的动物模型。越来越受欢迎是因为它的成本效益,遗传的可访问性,实验可访问性,生成大量的后代(19- - - - - -21]。然而,由于其小体型和潮湿的条件下,需求使用斑马鱼的生理研究主要依赖于侵入性方法或行为测试(20.,22,23]。
在这项研究中,我们提出一个3 d打印的传感器,可以监测多种类型的生物信号,在制造成本效益和效率。传感器的性能检查无创测量生物斑马鱼。通过使用3 d打印的传感器,我们能够克服上述传统的问题在斑马鱼电生理学研究。已成功验证了传感器的灵敏度测量心电图和脑电图信号微伏。成功证实了传感器的选择性测量多通道脑电图的斑马鱼,颅面积只有2毫米×2毫米。
2。材料和方法
传感电极的面积大小是300μ米宽为了适应颅斑马鱼的面积,大约2毫米×2毫米。电极使用3 d打印机打印(Ultimaker 2 Ultimaker BN Geldermalsen,荷兰)。喷嘴温度设置为200°C,和木筏和支持材料没有用于印刷电极。被选出的聚乳酸(PLA)丝印刷电极的挤压速度30 mm / s在床上,那里的温度设置为50°C。
印刷过程完成后,Ti /非盟沉积到印刷电极提供适当的电特性作为生物传感器。50纳米钛沉积作为粘合层,然后100海里盟使用电子束蒸发沉积(REP5004, SNTEK Suwon-si,韩国)。然后,电线被附加到对象使用导电环氧树脂(125年DURALCO Cotronics Corp .)、纽约、美国)的电气连接到信号采集设备。
线连接到电极,之后聚对二甲苯C是选择性地沉积在电极上电绝缘用化学气相沉积系统(PDS 2010,专业涂层系统,印第安纳州,美国),除了小费。电极的尖端,直径约300μm,蒙面使用牙科印象材料(PERFECT-F VPS,韩寒Dae化工有限公司Jinchun-kun,韩国)保持该地区的沉积绝缘材料。通过使用牙科印象材料,电极选择性地绝缘和不损害发生熔敷金属制造流程都完成后,并没有发现印刷电极变形。图1 (c)显示的图片完成电极。
(一)
(b)
(c)
野生成年斑马鱼是购买和维护下14/10小时光/暗周期。动物实验机构批准的动物保健和使用委员会光州科学技术学院。在录音之前,斑马鱼是麻醉15 ppm丁香油提取(丁香酚E51791 Sigma-Aldrich,密苏里州,美国)中描述(19]。
确保3 d打印的传感器能够被用作电生理传感器、心电图和脑电图测量斑马鱼。每个电极的导线连接到信号采集系统(美国加州MP36 BIOPAC系统Inc .)。脑电图和心电图记录,带通滤波器应用从0.1赫兹到50 Hz消除直流分量和60 Hz噪音,和增益设置为10 K。图1显示了这两种类型的记录电极位置。在录音,斑马鱼是支持使用粘土,以防止失去平衡。
脑电图记录,总共有三个印刷电极使用。两个电极放在每个半球的斑马鱼头盖骨,和另一个电极作为参比电极,是放在supraneural刺(图1(一)最稳定的地方),参比电极定位在脑电图记录(19,21]。检测大脑反应,我们测量与事件相关电位(ERP)而光刺激重复应用。记录ECG信号的斑马鱼,斑马鱼被颠倒,和一个电极放置在前作为记录电极位置,而另一个电极放在后位置作为参考电极(图1 (b))。
脑电图和心电图测量进行五个动物( ),在室温(25°C)三分钟。所有录音监控使用biosignal收购硬件(MP36 BIOPAC系统公司,加州,美国),显示和保存在一个BIOPAC学生实验室4.1软件(美国加州BIOPAC系统公司)。快速傅里叶变换(FFT)分析显示脑电图数据在频域的功率谱。记录的原始数据是位为了分析信号形态和获得更准确的心电图波形参数。一种峰值检测算法被用来检测和记录原始心电信号R峰。从一分钟内膨胀信号波形差异30%幅度和持续时间,包含相同的心电图形状匹配在一起(24,25]。然后,获得的平均波形。
3所示。结果与讨论
图1 (c)显示了3 d打印的电极。金属表面成功地沉积在解放军没有造成变形。印刷电极之间的附着力和沉积钛/非盟是足够强大后,没有发现损坏电线接头和聚对二甲苯C沉积过程。
图2显示了斑马鱼的双通道脑电图记录信号。在光的刺激,信号的振幅明显增加与正常状态相比在没有刺激。图3代表平均FFT结果五斑马鱼。在正常的阶段,活动α乐队(Hz) 8 - 15日是主导。阿尔法乐队通常表示放松的状态,在这种情况下对应的斑马鱼被麻醉。β乐队(16-31 Hz)和伽玛乐队(> 32 Hz)显示几乎没有活动在正常状态。然而,光刺激时,高频率活动显著增加与正常状态相比。β乐队是激活当个人紧张或处于高度戒备状态,和γ乐队通常是观察在感觉处理,如声音和景象的26,27]。
图4(一)从斑马鱼代表记录的心电图信号。使用3 d打印的传感器,常数心电图山峰被成功检测到。斑马鱼ECG信号的形态非常类似于人类的ECG信号。准确研究斑马鱼心电图参数,首先,峰值检测算法被用来检测R峰(图的记录原始ECG信号4 (b))。这允许容易计算心率。斑马鱼的平均心率是133.8±17.9 bpm ( ),这与先前的研究一致在斑马鱼心率24,25]。然后,记录心电图信号覆盖(图4 (c))和平均个人波形(图4 (d))。结果证明所有的心电图心电图信号组件,p波、qrs波群,让。意思是公关和QT间隔分别为84.21±11.98和221.31±6.91毫秒女士,女士。心电图参数使用3 d打印获得传感器的偏差范围内这些之前报道(24,25,28]。
(一)
(b)
(c)
(d)
4所示。结论
3 d打印的传感器能够探测生物信号的引入,并演示了通过测量心电图和脑电图信号从斑马鱼。心电图和脑电图信号从动物无创测量用传感器开发的,这是由经济和简单的3 d打印方法。3 d打印技术降低成本和制造时间明显比传统复杂精密加工过程。修改传感器的设计也更容易使用3 d打印技术,它允许制造一个更大的各种各样的设计比以前使用精密加工过程。我们能够制造一个高度敏感和选择性传感器只依靠干燥过程的3 d打印的对象,我们确认测量信号是来自动物的大脑和心脏。的参数获得的信号是同一性质上与之前报道的。我们能够获得相同的电生理信息使用3 d打印的传感器作为测量用传感器所使用的更昂贵的方法。我们相信,这项技术可以加速无创生物医学传感器的发展和生理学家提供一个经济的解决方案不熟悉复杂的制造技术。
信息披露
本文的早期版本在2015年IEEE传感器和发表在其诉讼(http://ieeexplore.ieee.org/document/7370544/)。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究支持的基础科学研究项目由国家研究基金会(nrf - 2014 r1a1a3050285) DGIST研发项目(16 - bd - 0404),和MIREBraiN计划(2016010043)资助的科学,ICT和韩国未来的规划。