近年來，3D打印技術(shù)以其獨(dú)特的特點在制造領(lǐng)域取得了巨大的突破。與傳統(tǒng)制造方法相比，3D打印具有成本低、制造時間短、材料組合多樣性以及獨(dú)特產(chǎn)品設(shè)計等優(yōu)勢。不同的3D打印材料包括聚合物、金屬、陶瓷和水凝膠，具有各自獨(dú)特的特性和應(yīng)用。柔性傳感器作為一種新型傳感器，由柔性材料制成，具有自由彎曲和延展性。食品健康與全人類的飲食健康息息相關(guān)，食品監(jiān)測的重要性日益凸顯。傳感器作為食品工業(yè)監(jiān)測技術(shù)的關(guān)鍵手段，被廣泛應(yīng)用。結(jié)合3D打印技術(shù)和柔性傳感器的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)食品監(jiān)測的智能化和靈活性。這種結(jié)合將推動食品健康領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，提高食品質(zhì)量控制和食品安全監(jiān)測的水平。通過使用3D打印技術(shù)制造柔性傳感器，可以簡化制造過程并實現(xiàn)材料多樣性。結(jié)合這兩種技術(shù)，可以為食品健康領(lǐng)域提供全新的解決方案，并促進(jìn)食品質(zhì)量控制與安全監(jiān)測的發(fā)展。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)肖新清副教授課題組提出3D打印的柔性傳感器在食品分析監(jiān)測領(lǐng)域具有靈活適應(yīng)性和高靈敏度，能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測和準(zhǔn)確檢測，為食品安全提供成本效益的解決方案。分析了3D打印工藝在柔性傳感器制造中的優(yōu)勢，并介紹了3D打印材料和水凝膠材料在柔性傳感器制造中的優(yōu)勢。針對食品監(jiān)測應(yīng)用，詳細(xì)討論了對食品的氣體，微生物和非氣態(tài)化合物的監(jiān)測，并分析了各應(yīng)用的優(yōu)缺點和場景。

★ 文章解析

1. 用于柔性傳感器的 3D 打印技術(shù)

噴墨打印和氣溶膠噴射是3D打印的兩種方法。在制作柔性傳感器時，噴墨打印制作柔性傳感器的導(dǎo)電電極。氣溶膠噴射則可以用于制作柔性傳感器的敏感材料層。常見的3D打印方法包括多射流融合（MJF），熔融沉積建模（FDM），直接金屬激光燒結(jié)（DMLS），電子束熔化（EBM），數(shù)字光處理（DLP）和直接墨水書寫（DIW）。其中，MJF、DMLS和EBM在柔性傳感器應(yīng)用中使用較少。這三種3D打印技術(shù)通常會產(chǎn)生更硬，更厚的零件，難以滿足柔性傳感器的特定要求。FDM、DIW 、SLA和 DLP 在柔性傳感器的制造中更為常見和流行。如圖1所示為這四種打印工藝的流程及應(yīng)用。如圖2所示是3D打印流程圖，總結(jié)了3D打印的一般工藝流程。

圖1：四種印刷工藝應(yīng)用

圖2顯示了EMG和TENG的發(fā)電原理以及激光燒蝕的原理，并在Comsol中模擬了發(fā)電過程和激光燒蝕過程。Comsol中 2 對圓形永磁體的磁標(biāo)量電位分布的有限元仿真結(jié)果如圖 2 a 所示。結(jié)果表明：每對磁體具有相同的磁電勢分布，磁電勢沿圓形磁體的徑向逐漸減小，在邊緣附近消失至零;圖2 b顯示了EMG的發(fā)電原理：由于電磁感應(yīng)，當(dāng)磁體沿一個方向移動時，EMG中的銅線圈將產(chǎn)生交流感應(yīng)電流。圖2c是獨(dú)立模式TENG的Comsol模型，顯示了不同滑動位移下電極對上的電位分布。在單個循環(huán)中，隨著滑動距離的增加，電極之間的電位差逐漸增加。TENG的原理如圖2d所示，分為三種狀態(tài)：初始狀態(tài)I，中間狀態(tài)II和最終狀態(tài)III。這三種狀態(tài)構(gòu)成了當(dāng)前一代的完整循環(huán)。圖2g說明了Cu電路的激光燒蝕原理。紫外（UV）激光打標(biāo)機(jī)包括PC、紫外納秒激光器、工業(yè)冷卻器和振鏡。工業(yè)冷卻機(jī)直接作用于紫外納秒激光器，在整個過程中保持低溫。激光波長為15ns，激光束的脈沖寬度約為355nm。當(dāng)激光作用在Cu膜上時，Cu被剝離并迅速升華。通過燒蝕PI/Cu薄膜獲得柔性Cu電路。在不同功率下，激光燒蝕深度隨速度變化具有較強(qiáng)的線性變化。圖7e–f顯示了兩次消融后的模擬形態(tài)。反復(fù)燒蝕后，Cu幾乎完全蝕刻，殘留的Cu失去導(dǎo)電能力，形成理想電路并表現(xiàn)出良好的柔韌性。

圖 2：3D打印制造過程

除此之外，3D生物打印是一種新興的生物制造技術(shù)，是傳統(tǒng)3D打印與生物學(xué)相結(jié)合的新領(lǐng)域，是一種特殊的3D打印技術(shù)。制造的柔性傳感器具有更高的生物相容性和生物學(xué)可及性，可以更好地適應(yīng)環(huán)境變化和人體的生理狀態(tài)，從而進(jìn)行更好的探索和生物學(xué)研究。生物3D打印技術(shù)還允許高精度和高分辨率打印，從而可以在小型和精細(xì)傳感器中實現(xiàn)更高的精度和控制。如圖3所示是生物3D打印示意圖, 生物3D打印最常用的打印方法有三種：噴墨生物打印，微擠出成型生物打印和激光輔助生物打印。如圖4所示，顯示了三種類型的生物3D打印。

圖 3：生物3D打印示意圖

圖 4：三種類型的生物打印

2. 用于柔性傳感器的 3D 打印材料

目前，用于利用3D打印技術(shù)制造柔性傳感器的材料主要包括高分子材料、金屬材料、陶瓷材料等。此外，還有適合生物3D打印的水凝膠材料。如圖5所示為各材料性能。這些材料具有出色的可重復(fù)性、適應(yīng)性和可定制性。它可以制造任意復(fù)雜的形狀，這是制造柔性傳感器的理想選擇。

（1）高分子材料

作為當(dāng)今使用最廣泛的一類3D打印材料，在制造柔性傳感器時常用熱塑性彈性體，聚合物復(fù)合材料等。這種聚合物的主要特性是其優(yōu)異的柔韌性和彈性，以及一定的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度。這使得彈性聚合物成為制造柔性傳感器的常見選擇之一。

（2）金屬材料

金屬材料的強(qiáng)度和耐磨性通常高于塑料和纖維材料，因此在柔性傳感器制造中具有廣泛的應(yīng)用。使用金屬材料制造柔性傳感器的過程通常采用電化學(xué)沉積技術(shù)。該技術(shù)可以通過將一層金屬沉積到薄聚合物基板上以產(chǎn)生薄而靈活的金屬膜來實現(xiàn)。金屬材料也可用于3D打印金屬顆粒以制造柔性傳感器。通過添加銅和鐵等金屬顆粒或帶有各種高強(qiáng)度金屬纖維的印刷材料，可以制造出具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性和高抗水蒸發(fā)性的柔性傳感器

（3）陶瓷材料

陶瓷材料是特殊的無機(jī)材料，具有高強(qiáng)度和高溫穩(wěn)定性以及良好的耐腐蝕性、保護(hù)和生物醫(yī)學(xué)可接受性，這使得它們有望在制造柔性傳感器的 3D 打印中得到廣泛的應(yīng)用。陶瓷材料可用于通過快速燒結(jié)技術(shù)可以輕松制造各種形狀的傳感器，并且具有能夠通過熱處理增強(qiáng)的優(yōu)點。此外，陶瓷材料可以通過控制成分、微觀結(jié)構(gòu)和其他方面來優(yōu)化柔性傳感器，以實現(xiàn)各種性能修改。陶瓷材料的高硬度和韌性可以通過同時抑制晶粒生長和施加晶界硬度來實現(xiàn)，阻尼和導(dǎo)電性等特殊性能也可以通過選擇合適的添加劑來實現(xiàn)。

（4）水凝膠

水凝膠具有柔韌性和透明度等特性，可以通過3D打印技術(shù)精確制造任意形狀。水凝膠還具有高水平的生物相容性，這使得它們在3D打印生物材料中尤為重要。通過利用這些特性，我們可以創(chuàng)建更靈活、適應(yīng)性更強(qiáng)的柔性傳感器，為各種應(yīng)用帶來重要價值。水凝膠的吸附特性可使所制造傳感器能對食品中化學(xué)成分監(jiān)測，在其表面引入生物感受器也可對食品中細(xì)菌、霉菌等微生物的檢測，有助于食品安全管理和細(xì)菌污染的預(yù)防。

圖 5：不同材料性能

3. 在食品監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，有許多食品分析和監(jiān)測方法。一種是感官監(jiān)測方法，用于評估食物的質(zhì)量特征。第二種是物理監(jiān)測法，通過測量物理量來了解食物的組織組成和含量。第三種是化學(xué)分析法，通過對食物組織成分的化學(xué)性質(zhì)作為分析的基礎(chǔ)。第四種是儀器監(jiān)測法，又稱理化監(jiān)測法，它是根據(jù)食品的理化性質(zhì)，利用精密的分析儀器和各種傳感器進(jìn)行食品監(jiān)測，具有簡便、靈敏、速度、準(zhǔn)確等優(yōu)點。在食品監(jiān)測、食品成分分析、食品包裝等領(lǐng)域已經(jīng)開發(fā)了許多使用 3D 打印技術(shù)制造的柔性傳感器，根據(jù)食品檢測方法，我們根據(jù)氣體、微生物和非氣體化合物進(jìn)行分類介紹，如圖6所示。

（1） 氣體

在食品安全領(lǐng)域，氣體傳感器的應(yīng)用非常重要。通過3D打印柔性傳感器，可以實現(xiàn)對食品中有害氣體的快速檢測和監(jiān)測，從而保護(hù)消費(fèi)者的健康和安全。在食品領(lǐng)域應(yīng)用中檢測氣體包括了NH3、C?H?OH、NH3、CO、TVB-N等。

（2） 微生物

微生物污染是一個主要的食品安全問題。利用3D打印柔性傳感器，可以開發(fā)高靈敏度的微生物傳感器，快速準(zhǔn)確地檢測食品中的細(xì)菌和霉菌等微生物污染，為食品生產(chǎn)加工提供實時監(jiān)測和控制手段，其中監(jiān)測對象最多的就是大腸桿菌。

（3） 非氣態(tài)化合物

食品中的化學(xué)殘留物是食品安全的重要問題。利用3D打印的柔性傳感器，可以開發(fā)高靈敏度的化合物傳感器，可以快速檢測食品中的農(nóng)藥、重金屬和其他有害化合物，為食品質(zhì)量監(jiān)測和食品安全管理提供有效的手段。文中介紹對象包括碳水化合物、H2O2、毒死蜱、二嗪農(nóng)和馬拉硫磷、C6H12O6、H2O、甲烷-膦酸等化合物。

圖 6：不同檢測方法

★ 結(jié)論與展望

3D打印機(jī)和傳感器背后的所有技術(shù)在過去幾年中都取得了重大進(jìn)展，但隨著這兩種技術(shù)的混合和結(jié)合，挑戰(zhàn)正在增加，目前，可以從以下幾個方面深入研究。

（1）3D打印材料問題會限制打印傳感器的性能和可靠性，并且傳感器在長時間使用后可能會失效或失效，因此需要更好的設(shè)計和制造工藝來提高其可靠性，研究理想的材料尤為重要，不合適的材料有時會產(chǎn)生巨大的影響。

（2）缺乏3D打印傳感器壽命信息，且不知道3D打印產(chǎn)品可以使用多長時間。

（3）每個傳感器響應(yīng)特性略有不同，因此需要校準(zhǔn)以確保其準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

（4）食品檢測中缺乏3D打印柔性傳感器的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，需要制定這些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范以確保其安全性和有效性。

盡管3D打印傳感器具有許多優(yōu)點，但如果它們要用于食品監(jiān)測，則必須注意打印材料的無毒性，這應(yīng)該指導(dǎo)未來的研究。雖然3D打印傳感器在食品檢測中的應(yīng)用尚不完善，但不得不說未來發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

編輯：黃飛