《TRAC-TRENDS IN ANALYTICAL CHEMISTRY》：3D printing for biosensors: from fabrication methods towards point-of-care testing devices
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本综述聚焦3D打印（FDM）电化学生物传感器，重点探讨制造工艺（如表面活化）对生物界面稳定性及POCT性能的影响，并指出丝材异质性、重现性等瓶颈，展望了定制导电丝材、可穿戴等未来方向。
背景：3D打印如何重塑生物传感
3D打印技术正在彻底改变电化学生物传感器的制造范式。它凭借设计自由、快速原型制作和低成本优势，成为推动床旁检测（POCT）发展的关键力量。与传统的复杂加工不同，3D打印（尤其是熔融沉积成型，FDM）能快速制造从简单采样器到定制电极的全套平台。
为什么FDM是主流？
在光聚合、粉末床融合等多种技术中，FDM因步骤简单、成本低、材料范围广且能制造多孔结构而备受青睐。通过使用导电丝材（如石墨烯/PLA），FDM可直接打印电极，为检测新兴污染物、重金属和生物标志物提供了廉价且可定制的解决方案。
核心挑战：从“导电”到“生物兼容”
虽然前景广阔，但3D打印电极面临两大核心瓶颈：
- 1.
导电性不足：原生丝材导电性差，通常需预处理（如化学蚀刻、电化学活化）才能用于电化学传感。
- 2.
生物界面不稳定：如何将酶、抗体等生物识别元件稳定地固定在打印电极表面，并保持其活性，是实现高性能生物传感器的关键。
这篇综述不再赘述常规的打印方法，而是聚焦于制造流程（尤其是表面预处理）如何影响生物功能化效率、信号转导和重现性，旨在解决概念验证设备向真实POCT转化的难题。
制造到应用：酶与非酶传感器的对决
酶促POCT设备：高特异性的“生物探针”
酶生物传感器（第三代）利用酶的高选择性识别目标物（如葡萄糖），并将其转化为电信号（如H2O2）。
制造关键：预处理与固定化
由于FDM打印的电极表面导电性差且缺乏活性基团，预处理是必经之路。常见的策略包括：
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化学处理：使用DMF（二甲基甲酰胺）蚀刻表面PLA，暴露更多的导电填料（石墨烯/炭黑），提升导电性。
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电化学活化：施加特定电压，在表面引入含氧官能团，便于后续生物修饰。
典型案例：从血糖到心脏标志物
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葡萄糖监测：研究者利用DMF预处理石墨烯/PLA电极，随后修饰金纳米颗粒（AuNPs）和辣根过氧化物酶（HRP），通过检测酶反应产生的H2O2来实现葡萄糖传感，展示了良好的生物相容性。
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多标志物联检：有研究开发了全3D打印微芯片，在单一血滴中同时检测胆固醇和胆碱（心脏标志物）。该设计包含共享参比/对电极的双工作电极阵列，通过吸附法固定酶，实现了无串扰的高效检测。
集成化与可穿戴趋势
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智能手机集成：结合电化学发光（ECL）技术，出现了基于智能手机的便携式检测盒。样品中的葡萄糖与葡萄糖氧化酶（GOx）、鲁米诺反应，在电极施加电压下产生发光信号，由手机摄像头捕获分析，极大简化了POCT流程。
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可穿戴汗液监测：利用3D打印的设计自由度，研究人员制造了集成于智能手表的酶传感手环，可监测汗液中的葡萄糖、乳酸、酒精、尿酸和咖啡因。通过在皮肤与电极间添加PVA水凝胶膜收集汗液，初步人体试验验证了其运动后监测的可行性，但长期稳定性仍需验证。
非酶POCT设备：追求稳定性的“第四代”
尽管酶传感器特异性高，但酶本身易失活、固定过程复杂且成本高。非酶传感器（第四代）通过纳米材料（如金、铜氧化物）的直接电催化作用，规避了酶的不稳定性问题。
优势：稳定、廉价、易制造
非酶传感器具有响应快、稳定性高、无需复杂生物固定步骤的优点，更契合3D打印大规模、低成本制造的初衷。
创新制造：激光辅助与自动化
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激光光热还原：为解决传统电镀修饰步骤繁琐的问题，一种创新方法是在打印电极上滴加金前体（HAuCl4），利用红外激光诱导局部热还原生成金纳米结构。这种“打印-激光处理”一体化工艺显著提升了制造自动化程度，实现了低电位下的高灵敏度葡萄糖检测。
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可穿戴e-ring：非酶策略也被用于指环式传感器（e-ring），通过电镀金膜检测汗液葡萄糖，配合手机迷你恒电位仪，实现了无创监测。
应用拓展
除了葡萄糖，非酶3D打印平台还被用于检测尿酸、左旋多巴、肌酐等小分子代谢物，显示出广泛的适用性。
瓶颈与未来：如何走向真正的POCT？
尽管实验室成果丰硕，但3D打印生物传感器从“论文”走向“临床”仍面临严峻挑战：
- 1.
丝材异质性：不同批次甚至同批次的导电丝材可能存在导电填料分布不均，导致电极间性能差异大，重现性难以保证。
- 2.
生物界面稳定性：长期储存和复杂生物样本（如血清、全血）中的蛋白质非特异性吸附，容易导致生物识别元件失活或信号漂移。
- 3.
验证不足：大多数研究仅在缓冲液或加标样本中进行测试，缺乏真实临床样本的广泛验证，也鲜有长期稳定性数据。
未来方向：
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定制化导电丝材：开发高导电填料比例且保持良好打印性的专用丝材，从源头上减少对预处理的依赖。
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无试剂活化：推广激光、等离子体等物理活化方法，替代化学溶剂处理，使制造过程更环保、可控。
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全集成系统：打印包含微流控通道、电极和外壳的一体化电化学池，实现“样品进-结果出”的封闭检测。
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标准化与大数据：建立统一的性能评估标准，并利用大数据分析来优化打印参数与生物修饰工艺。
3D打印为生物传感器带来了前所未有的设计自由度和成本优势。未来的突破点不在于追求单一的灵敏度指标，而在于解决制造过程中的重现性、稳定性和集成化难题，最终让这项技术真正服务于资源有限场景下的即时诊断。
