综述：可打印即时检测设备的最新进展：技术、材料与应用

《TRAC-TRENDS IN ANALYTICAL CHEMISTRY》：Latest Advances in Printable Point-of-Care Devices: Techniques, Materials, and Applications

　　里卡多·布里托-佩雷拉|安德烈·S·马塞多|F.哈维尔·德尔坎波|塞内恩图斯·兰塞罗斯-门德斯|瓦内萨·F·卡多索
巴斯克材料、应用与纳米结构中心，UPV/EHU科学园，48940莱奥亚，西班牙

**摘要**
可打印的即时检测设备因其打印技术的灵活性和适应性，以及在医疗保健和环境监测领域的广泛应用，正迅速成为重要的分析工具。本综述重点介绍了制造方法的最新进展，尤其关注2D和3D打印技术，分析了它们的特点、优势及局限性。丝网印刷因其高效性和成本效益，仍是生产一次性诊断工具的首选方法，而3D打印则为复杂设计提供了新可能，使得即时检测设备的定制化程度更高。此外，本文还探讨了影响这些设备效能和成本的因素，如可用材料及检测技术。通过引入先进材料，包括新型聚合物、纳米材料以及创新传感技术，这些设备的微型化程度、性能和功能得到提升，可实现实时多参数检测。尽管在材料选择、工艺重复性及实际应用转化方面仍存在挑战，但可打印的即时检测技术正在助力构建更加集成且易于使用的传感平台。通过将打印技术与分析性能、可持续性指标及法规符合性系统地联系起来，本综述弥补了概念验证原型与实际可用的即时检测生物传感器之间的差距，提出了一个从打印技术到分析性能、成本、可持续性及法规符合性的多标准决策框架，这一框架在现有文献中尚不存在。

**引言**
即时检测设备在资源匮乏的环境中具有巨大潜力，可用于解决从疾病诊断与监测到水资源污染检测等各类问题，适用于设备不足的农村地区、紧急情况、分散式护理环境、野外作业以及无法立即获得实验室设施或专业人员的场景[1][2]。这类设备的优势在于无需实验室或专业人员即可快速给出初步结果，从而帮助及时做出决策并采取干预措施[3][4]。

上世纪上半叶，穆勒和克莱格利用石蜡在纸上制作流体通道，开发出了第一种纸质检测方法[5]。此后，用于制造更高效、更可靠的即时检测设备的制造技术日益多样化且不断改进，人们常常采用传统喷墨打印等技术，以纸张作为基底——由于其天然的毛细作用，可无需外部泵浦即可实现样品的被动传输。此外，纸张还具有成本低、重量轻、柔韧、生物相容、可生物降解且可化学改性等优点[7][8]。

增材制造技术则是通过计算机辅助设计文件，逐层添加材料来制造物体。这项技术始于40年前第一个3D打印零件的诞生，彻底改变了制造业的应用模式。仅三年后，首款商用立体光刻打印机3D Systems SLA 1便问世[9]。此后，3D打印技术不断发展，从广泛应用的熔融沉积建模到能够实现更高精度的更先进技术应运而生[10]，这使原本劳动密集型且耗时的工业流程变得更加高效简洁[11][12]。

随着即时检测设备在多功能性及在不同场景下提供准确诊断能力方面的不断提升，越来越多的检测方法被整合到这些设备中，主要包括光学方法和电化学方法，如比色法、荧光法、安培法和电位法。每种方法都有其优缺点，因此更适合特定的应用场景。比色法是最容易使用的检测方法之一，用户无需复杂设备即可通过可见颜色变化解读结果，这一优点在基础设施较为缺乏的农村或资源匮乏地区尤为显著[13]。例如，比色法可有效监测血糖水平或检测水中的污染物，能以低成本快速提供关键信息。不过，当分析物浓度较低时，该方法的精确度可能会受到影响[14]。

相比之下，电化学检测方法具有更高的灵敏度，且能够在浑浊介质中进行检测，因为这类传感器可以测量分析物在电极上引发的电流或电位变化。其便携性进一步提升了其在临床和环境领域的实用性，便于现场检测，并有助于及时采取初步或预防措施[15][16]。基于荧光的检测方法则利用能发光的荧光分子或纳米粒子来识别特定目标，发光的强度或波长与分析物的浓度直接相关，从而实现精确定量[17]。该方法尤其适用于复杂的诊断任务，以及结核病和人类免疫缺陷病毒等传染病的检测[18]。虽然这些技术通常需要精密的光学设备，但随着便携式及基于智能手机的平台的发展，荧光检测现已可应用于即时检测领域[19][20]。

其他复杂的光学检测方法，如表面等离子体共振技术，则利用光来识别分析物与传感器表面结合时产生的变化[21]。这类方法因高灵敏度而备受重视，常用于癌症生物标志物或病原体检测等关键诊断领域[22][23]。然而，由于需要先进的仪器设备，这类方法在资源匮乏的地区难以使用，因此相比比色法和电化学方法，其普及度较低。

即时检测设备所采用的多种检测技术不仅代表了技术进步，也是推动社会变革的重要工具。从比色法的高效简单到电化学传感器的精准可靠，这些方法使得偏远地区的人们能够获取维护自身健康与环境所需的关键信息。随着新的打印技术和创新制造方法的不断发展，可以预见，即时检测设备将在解决全球各地社区面临的挑战方面发挥越来越重要的作用[24]。

传统的ASSURED评估标准长期以来一直是衡量即时检测诊断技术的基准，而现代设备则越来越需要满足REASSURED标准，该标准将评估范围扩展到实时连接性、样本采集的便捷性以及环境可持续性等方面[2]。在此背景下，可打印技术具有尤为重要的战略地位，因为它不仅能实现低成本、易操作的制造，还能与柔性电子、无线通信模块、可穿戴平台以及智能手机辅助或云端连接的读出系统实现良好兼容[25][26]。这种融合对于那些需要在分散式、数字化连接的医疗环境中运行的即时检测设备尤为重要。

本综述将重点讨论可打印的即时检测设备，这类设备得益于便捷的制造工艺，同时也会涉及一些较少见的技术方法。全文分为两个主要部分，分别探讨2D打印和3D打印技术，全面分析这些设备的制造技术、检测方法、适用分析物类型以及当前和未来的应用领域。

尽管目前已有许多关于纸质分析设备、可打印生物传感器、可穿戴传感平台或3D打印技术的综述，但这些研究往往将制造方法、分析性能、可持续性及法规符合性视为相互独立的方面[8][16][27][28][29]。本综述的独特之处在于将这些问题整合为一个以性能为导向的视角，用于评估可打印的即时检测设备。

近期关于即时检测设备的综述，尤其是在新冠疫情背景下，进一步表明横向流检测、垂直流检测、微流控技术及纸质检测设备能够加速分散式检测进程，但也暴露出在灵敏度、工作流程整合及检测结果可靠性方面的持续局限[15][30][31]。

与仅仅罗列打印方法及其应用不同，本研究探讨了打印技术、材料配方、基底相互作用、后续处理以及设备几何结构如何影响最重要的性能指标，包括制造精度、成本、环境影响以及法规合规性。这一点尤为重要，因为传感性能不仅受化学因素影响，还受制造过程中形成的物理和化学环境的影响，如表面粗糙度、电极导电性、试剂放置位置以及流体流动的重复性等[32][33][34]。因此，本综述旨在不仅总结最新的应用案例，还为根据具体的分析用途、样本类型、生产规模及实际应用限制选择合适的打印策略提供决策框架。

**章节节选**

**2D打印技术在即时检测设备开发中的应用**
本章概述了通过2D打印技术制造即时检测设备所用的主要方法和技术。丝网印刷、喷墨印刷、蜡基印刷以及柔版印刷因其能够生成精确的微结构与通道而成为首选的加工技术[35][36]。具体采用哪种工艺取决于特定即时检测设备的实际需求，以及其在变异性、速度和可扩展性方面的表现。

**3D打印技术在即时检测设备开发中的应用**
国际标准化组织和美国材料与试验协会将增材制造技术分为七大类，表2列出了各类技术的特点及示例。根据用于打印的材料状态，增材制造技术还可分为粉末态、液态或固态[129]。由于材料决定了即时检测设备的性能，后续章节将重点介绍最常用的几种3D打印技术。

**打印工艺对即时检测设备性能的影响**
打印工艺不应仅被视为制造复杂几何结构的手段，还应视为决定分析传感器性能的微观结构与界面特性的形成过程[28][32]。对于可打印的即时检测设备而言，存在许多与工艺相关的特性，如表面粗糙度、孔隙率、电极的电阻值、设备被流体润湿的程度、试剂或分析物的空间分布等。

**比较框架**
为便于对比，我们将2D和3D打印技术的各项特性整合成一个包含八项标准的评分矩阵，并以热图形式呈现（见图10）。1至5分的等级综合了现有文献中关于各项技术的性能评价，涵盖几何分辨率、出结果时间、单台设备成本、设备获取难度、生产吞吐量与规模、几何复杂性、可持续性以及法规符合性等八个方面。其中，几何分辨率尤为重要。

**可打印即时检测设备的应用**
即时检测设备的一大优势在于能够提供低成本、坚固、便携且用户友好的（生物）分析检测平台。这类设备可大规模生产并轻松在全球范围内分发，通常无需复杂的基础设施或专业技术人员。前述各种加工技术使得这些设备能够具备多种功能，因此既适用于生物医学领域，也适用于食品和环境检测领域。

**挑战与机遇：未来展望**
可打印即时检测设备的未来发展呈现出技术进步与诸多挑战并存的特点。这类设备有望彻底改变诊断方式，尤其是在资源匮乏的地区，但要充分发挥其潜力，还需克服若干障碍。其中一项关键挑战便是寻找价格合理且易于获取的材料。目前许多制造方法，如喷墨印刷、丝网印刷和蜡基印刷，都依赖于特定的设备。

**结语**
打印技术的飞速发展极大地推动了可打印即时检测设备的研发，为临床和环境检测领域提供了创新解决方案。丝网印刷、喷墨印刷、蜡基2D打印技术，以及FDM和立体光刻等3D打印技术，共同使得即时检测设备具备了高精度、高定制化程度且成本可控的特点。在某些特殊环境中，这类设备尤为重要。

**作者贡献声明**
里卡多·布里托-佩雷拉：撰写——综述与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、方法论、研究设计、正式分析、数据整理、概念构建。
安德烈·S·马塞多：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、研究设计、正式分析、概念构建。
F.哈维尔·德尔坎波：撰写——综述与编辑、验证、监督、资源协调、方法论。
塞内恩图斯·兰塞罗斯-门德斯：撰写——综述与编辑、验证、监督。

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

**利益冲突声明**
? 作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了葡萄牙科学与技术基金会（FCT）的战略资助，项目编号分别为UID/FIS/04650/2020、UIDB/04436/2020、UIDP/04436/2020。RBP感谢西班牙科学与创新部提供的Juan de la Cierva研究合同，编号为JDC2023-052829-I。ASM感谢FCT的资助，项目编号为2020.09218.BD（DOI: 10.54499/2020.09218.BD，ASM）。VFC还感谢FCT在2020.02304.CEECIND计划下提供的合同支持（//doi.org/10.54499/2020.02304.CEECIND/CP1600/CT0025）