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本文聚焦 3D 打印热塑性（生物）传感器，综述了利用熔融沉积建模（FDM）技术制备的该类传感器的发展趋势。介绍了商业及自制导电长丝制备的传感器，及其在生物传感中的应用，展示了其在分散式诊断中的潜力，值得一读。
引言
电化学生物传感器是从实验室台式分析仪向便携式、微型化系统转变的理想平台，能在复杂基质（如临床、环境、食品和法医样本）中实时快速监测关键生物标志物。理想的生物传感器应在需求点（PON）按需制造，采用数字化、简单且无需实验室的可持续制造技术，同时经济可行。但传统电化学生物传感器制造技术，如丝网印刷和溅射 / 光刻，涉及多步实验室流程，需昂贵仪器、试剂和人工干预。
相比之下，3D 打印作为一种全数字化增材制造技术，能将 CAD 文件快速转化为三维实体，便于传感器制造去中心化，从实验室扩展到需求点甚至家庭环境。在各类 3D 打印技术中，FDM 在电化学领域应用最广，逐渐成为电化学生物设备的主要制造方法之一。
FDM 打印时，热塑性长丝被送入低成本便携式 3D 打印机的挤出机，加热至半熔融状态，在平台上逐层沉积，凝固形成预设传感器，几乎无废料产生，也无需使用液体化学品。多挤出机 3D 打印机还能利用不同特性的长丝一步制造完全集成的微型电化学设备。聚乳酸（PLA）是 FDM 中最常用的长丝，因其打印温度低且可生物降解。FDM 在电化学传感器制造中日益普及，主要归因于市售导电长丝（如含碳同素异形体的 PLA）的 availability，以及自制先进特性电化学长丝的便利性。
近期，许多基于 FDM 3D 打印的电化学生物传感器被开发出来，通过将酶、抗体等生物元素固定在含碳 PLA 电极表面用于生物传感，也有利用人工仿生材料在无酶条件下检测生物标志物。此外，将生物功能材料掺入含碳 PLA 导电长丝中，制备可直接用于生物传感的即用型传感器的研究也有报道。本综述重点关注利用生物元素和仿生材料、由市售和自制长丝 3D 打印的 FDM 生物传感器的发展，及其在电化学生物传感中的应用。
3D 打印（生物）传感器 —— 基于商业导电长丝
FDM 3D 打印电极常用的市售导电长丝有 Proto - Pasta（以 PLA 为基础，炭黑（CB）为导电填料）和 Black Magic（由 PLA 和石墨烯组成）。Proto - Pasta 长丝电化学性能优越，是 3D 打印电极的首选，而 Black Magic 长丝现已退出市场。但这类商业长丝打印的传感器导电性差，因导电填料含量低，所以需进行表面处理，去除部分聚合物，暴露电极表面的含碳材料。人们采用了多种活化方法来提升 3D 打印电极的电化学传感性能，包括用有机溶剂或强碱溶液化学处理、高电位电化学极化、多种方法结合、铅笔火花放电活化、喷射笔常压空气等离子体活化等。
在生物传感应用中，3D 打印电极需用与目标生物分子相互作用的生物功能材料进行修饰。因此，抗体、DNA 和酶等被固定在 3D 打印设备上。Pumera 团队用 Black Magic 长丝打印单石墨烯 / PLA 电极，通过溶液浸渍法将手性酶 L - 氨基酸氧化酶固定在电极表面，利用电化学阻抗谱对手性氨基酸对映体进行筛选。该团队还用同一长丝打印单电极，经化学和电化学活化，并固定辣根过氧化物酶和金纳米颗粒，用于安培法检测过氧化氢。Janegitz 团队利用相同的石墨烯 / PLA 长丝，通过化学活化、金电沉积和滴涂固定 cDNA 捕获序列，开发出一种检测 SARS - CoV - 2 的生物传感器。此外，经活化的该长丝打印电极还被用作生物传感器，通过阻抗免疫分析法检测 PARK7/DJ - 1 蛋白（一种与帕金森病相关的生物标志物）、以酪氨酸酶为催化酶的伏安法监测儿茶酚、以葡萄糖氧化酶（GOx）为酶和二茂铁羧酸为介质的安培法检测葡萄糖。
Kokkinos 团队用双挤出机 3D 打印机制作了完全集成的电化学生物设备，电极用 Proto - Pasta 的 CB/PLA 长丝，微型容器用非导电 PLA 长丝。该团队用此一步制造工艺打印出三电极微孔（3D e - wells），用于原位开发夹心型免疫分析法，检测 C 反应蛋白（CRP）。具体方法是用链霉亲和素标记的基于镉的量子点（QDs）标记生物素化的 CRP 报告抗体，溶解 QDs 后，通过伏安法测定释放的 Cd2 +来定量 CRP。为提高灵敏度，还在 3D e - wells 工作电极上原位电沉积铋膜。该团队还用相同长丝制造了全 3D 打印的四电极生物芯片，用于同时测定胆碱和胆固醇。测定这两种心脏生物标志物时，在打印好的集成热塑性微电极上开发酶促测定法，以胆碱氧化酶和胆固醇氧化酶为酶，Nafion 用于捕获生物受体，用双电位仪同时安培法检测 H2O2副产物。此外，集成在 3D 打印微流控装置中的 Proto - Pasta 导电长丝活化电极，也被用于以 GOx 和普鲁士蓝为介质的安培法测定葡萄糖。
由于酶促生物传感器的响应受温度、湿度、pH 等多种因素影响，且成本较高，人们致力于开发模拟酶性能的合成材料，即 “人工纳米酶”。这些仿生纳米酶包括贵金属、金属氧化物、金属配合物和金属有机框架（MOFs），它们对生物标志物具有强电催化活性，比酶对物理和化学环境变化更稳定。利用仿生材料和 Proto - Pasta 的 CB/PLA 长丝，已开发出多种无酶 3D 打印传感器。Teekayupak 等人设计的用于肌酐测定的 3D 打印仿生装置很有趣，活化的 CB/PLA 工作电极用滴涂的氧化铜纳米颗粒 - 离子液体 / 还原氧化石墨烯复合材料修饰。检测机制是铜离子与肌酐特异性络合，形成可溶性 Cu (II) - 肌酐络合物。该 3D 打印装置与便携式智能手机电位仪联用，可安培法测定肌酐，并应用于人类尿液样本检测。此外，还用相同的 CB/PLA 长丝开发出第四代无酶 3D 打印葡萄糖传感器，分别用金颗粒、激光诱导氧化钴、Fe (III) - 簇和 Fe (II) - MOF 修饰，这些材料可直接在电极表面电催化葡萄糖氧化。例如，Katseli 等人开发的 3D 打印可穿戴戒指，能在汗液中无创安培法检测葡萄糖，且不受常见电活性代谢物干扰，该戒指的 CB/PLA 工作电极用原位电沉积金膜修饰，促进葡萄糖电氧化。
3D 打印（生物）传感器 —— 基于自制导电长丝
为充分发挥 FDM 在电化学中的潜力，研究人员转向开发自制导电长丝，用其制造的传感器电化学性能优于商业长丝。文献中，绝大多数自制导电长丝以 PLA 为基础聚合物，掺入 CB、石墨、多壁碳纳米管（MW - CNTs）等碳材料或其混合物作为导电填料。长丝制备方法有两种：溶剂法和热法。溶剂法是将块状聚合物（如 PLA 颗粒）溶解在二氯甲烷（DCM）等有机溶剂中形成稀溶液，便于导电填料分散，溶剂蒸发干燥后，形成碳基颗粒包裹在聚合物中的导电复合材料。热法则是在加热熔融聚合物基体的同时，用混合仪器掺入导电填料。Janegitz 团队用热法制备了含 40%（重量）石墨的 PLA 长丝，用溶剂法制备了含 28.5%（重量）CB 的 PLA 长丝，用这两种长丝 3D 打印的传感器用于开发检测 SARS - CoV - 2 病毒的免疫传感器，在加标合成唾液和人血清样本测试中效果良好。Banks 团队用热法合成了由回收 PLA、15%（重量）CB 和 10%（重量）MW - CNTs 组成的长丝，用于制备电化学基因传感器，伏安法检测人血清样本中的黄热病毒 cDNA。
在含碳 PLA 导电长丝合成过程中掺入生物功能材料，可避免打印后修饰，制备出直接用于生物传感的即用型传感器。但目前相关研究较少，已有报道的是整合氢氧化镍、金属氧化物、银和金纳米颗粒的电分析长丝。Rocha 等人通过溶剂法制备了由 Ni (OH)2微粒和石墨烯分散在 PLA 基体中的导电 3D 打印长丝，Ni (OH)2可催化葡萄糖氧化为葡萄糖酸内酯，制备时将 Black Magic 的石墨烯 / PLA 长丝与 Ni (OH)2按催化剂与聚合物 1:10（w/w）的比例混合。Koukouviti 等人报道了一项重要进展，在基于溶剂法合成 CB/PLA 长丝时，掺入 Bi2O3和 CuO 纳米粉末用于电分析传感器。该长丝中各材料重量百分比为：1.8% Bi2O3、0.6% CuO、24.1% CB、63.5% PLA 和 10.0% 增塑剂。打印好的传感器可作为 Janus 换能器，利用两种共存氧化物的不同特性直接灵敏地检测不同分析物。具体来说，通过与 Bi2O3电生成的 Bi 纳米颗粒形成汞齐，伏安法测定重金属（如铅和镉）；在无酶模式下测定生物标志物（如葡萄糖和尿酸），其中葡萄糖氧化由嵌入的 CuO 电生成的 Cu (III) 催化，尿酸在即用型 3D 打印传感器上直接氧化。
结论与展望
FDM 3D 打印技术可按需打印传感器、完整的电化学微型设备和微流控平台，甚至可在家庭环境中进行。这些 3D 打印的电化学系统能灵敏、选择性且稳定地监测生物分子，在分散式诊断中具有重要价值。此外，还开发出可穿戴的 FDM 3D 打印设备，为生物标志物的自我检测提供了可能。
近期在合成集成多种功能材料（包括人工纳米酶）的自制导电 3D 打印长丝方面的研究，为生物标志物及其他分析物的检测开辟了新途径。这类先进的 FDM 长丝有望催生自制（DIY）设备。在不久的将来，人们或许能购买到检测特定生物指标（如葡萄糖、肌酐）的专用长丝，3D 打印出专业传感器，并用连接智能手机的电位仪自行测量。因此，FDM 技术有望通过即用型 DIY 传感器，革新生物、法医和环境检测领域。
