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氣溶膠噴射納米級顆粒3D打印的COVID-19測試芯片可快速檢測出抗體 

2022-05-07 15:08
SARS-CoV-2病毒導(dǎo)致的新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)疫情在全球產(chǎn)生了重大影響。目前全世界范圍內(nèi)正在探索幾種涉及先進(jìn)材料的方法來檢測新冠病毒感染者。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員注意到,生物傳感設(shè)備的復(fù)雜性隨著微電子學(xué)的發(fā)展而發(fā)展,從生物MEMS到由先進(jìn)的光刻技術(shù)制成的小型芯片,都是生物傳感設(shè)備發(fā)展的結(jié)果。

近年,在微電子學(xué)中出現(xiàn)了涉及先進(jìn)材料的基于納米顆粒的3D打印方法,這些方法可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的幾何形狀、材料組合和定制的微結(jié)構(gòu)。Aerosol Jet(AJ)3D打印打印屬于這種技術(shù)。Aerosol Jet(AJ)3D打印是一種使用霧化液滴流以10 µm的分辨率沉積納米材料陣列的技術(shù),已被用于制造各種電子設(shè)備。
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圖1. 通過氣溶膠噴射3D打印制造的COVID-19測試芯片(3DcC)制造過程示意圖。

生物傳感平臺是通過三維電極的3D納米打印,用還原性氧化石墨烯(reducedゞraphene﹐xide, rGO)的納米薄片覆蓋電極并將特定的病毒抗原固定在rGO納米薄片上而創(chuàng)建的。電極與微流體裝置相集成,用于標(biāo)準(zhǔn)電化學(xué)電池。當(dāng)抗體被引入電極表面時,它們選擇性地與抗原結(jié)合,改變通過阻抗譜檢測的電路阻抗。

微小、便宜的微柱狀金電極使用熱燒結(jié)在一起的氣溶膠液滴以納米級進(jìn)行打印。這會導(dǎo)致粗糙,不規(guī)則的表面,從而增加微柱的表面積并增強(qiáng)電化學(xué)反應(yīng),其中抗體可以閂鎖在電極上包覆的抗原上。特定的幾何形狀允許微柱加載更多的蛋白質(zhì)進(jìn)行檢測,從而獲得非常準(zhǔn)確,快速的結(jié)果。
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圖2. 3D打印微柱電極和3DcC傳感器操作的功能化。a)表面處理(步驟1)之前的AJ-印刷金微柱。b)通過羧基化(COOH) rGO片材,通過簡單的滴鑄工藝(步驟2)。

該結(jié)果是在COVID-19疫情期間的緊迫時刻提出的。由于他們的技術(shù)可以量化對疫苗接種的免疫反應(yīng),因此在當(dāng)前環(huán)境下非常重要。
利用氣溶膠噴射納米顆粒3D打印芯片越來越廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域和智能穿戴設(shè)備。
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圖3.通過氣溶膠噴射納米顆粒3D打印制成的COVID-19測試芯片的圖像。圖片來源供:卡內(nèi)基梅隆大學(xué)先進(jìn)制造和材料實(shí)驗(yàn)室

Aerosol Jet 3D 打印技術(shù)原理--基于空氣動力學(xué)原理,可將納米、微米級材料進(jìn)行沉積成型,可實(shí)現(xiàn)納米級厚度,微米級特征。
• 霧化液體:導(dǎo)電油墨,電介質(zhì)等(1 - 1,000 cP),實(shí)驗(yàn)室條件下可達(dá) 10, 000 cP。
• 高密度氣溶膠;高負(fù)載液滴直徑 2- 5μm。
• 鞘氣層包圍并聚焦氣溶膠束。
• 連續(xù)流量以> 50 m/s 的速度流出,允許可變的噴射高度。
• 可在平面和非平面的基板上打印。
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圖4.Aerosol Jet 3D 打印原理
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圖5.Aerosol Jet 3D打印支持材料

本文來源:Sensing of COVID-19 antibodies in seconds via aerosol jet nanoprinted reduced graphene oxide coated three dimensional electrodes. Advanced Materials. onlinelibrary.wiley.com/doi/fu … .1002/adma.202006647
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