《Bioeng.》：气溶胶喷射打印技术在生物工程领域中及神经假体中的应用研究

引言

随着神经科学和生物电子学的不断发展，开发高性能、微型化、个性化的神经接口成为当前的研究热点。传统的制造技术在高精度、复杂结构、材料多样性方面存在一定限制，迫切需要一种更加灵活、精确、高效的微纳制造技术。气溶胶喷射打印（AJP：Aerosol Jet Printing）技术作为一种新兴的微纳制造技术，凭借其独特优势，正逐步引领神经假体设备的革新。

本文将深入介绍AJP技术在神经假体设计及制造中的应用、优势、面临的挑战以及未来发展前景。

正文

气溶胶喷射打印（AJP：Aerosol Jet Printing）技术原理

气溶胶喷射打印（AJP：Aerosol Jet Printing）是一种非接触式微纳打印技术，利用超声雾化装置将导电材料、生物材料或功能材料转化为细小的气溶胶颗粒，经喷嘴喷射到基底表面，形成高精度的微纳结构。

与传统的丝网印刷、光刻工艺相比，AJP具有以下优势：

• 高分辨率（可达10微米）

• 可以在灵活、软性的基底上直接打印（如弹性聚合物、生物兼容材料）

• 多材料、多层次、多结构的复杂制造能力

• 非接触式、低温工艺，有利于生物材料的保存和应用

AJP的核心过程包括：

• 将导电粉末或生物材料转化为气溶胶颗粒

• 通过超声雾化器生成细小的气溶胶

• 使用高压气流（一般为空气或惰性气体）将气溶胶喷射至基底

• 控制喷射参数，实现微纳米级别的精准沉积

这一过程极大地提升了打印的灵活性和精度，适合制造高密度、多层次的神经电极阵列和微型传感器。

AJP在神经假体中的创新应用

01高精度神经接口的制作

神经接口的核心需求是实现高密度、多点、低损伤的神经信号传输。AJP可以精准制造微细导电路径和微电极阵列，满足这一需求。

微电极阵列的制作：AJP可以在柔性材料上快速打印导电轨迹及电极，形成覆盖广泛、密集的阵列，用于脑、脊髓或神经纤维的精准定位与刺激。

多材料集成：结合导电材料与绝缘材料，构建多功能复合结构，提高电极的性能与可靠性。

个性化定制：根据患者具体解剖特征，快速实现个性化设计，增加植入的舒适性和信号质量。

02弹性与软性电子器件的开发

神经系统是一个极其柔软、动态变化的组织，传统刚性电子设备难以与之兼容。AJP的可在柔性基底上直接打印的特性，为开发软性电子设备提供了可能。

柔性传感器与微电极：通过在硅胶、热塑性聚氨酯等弹性材料上喷印金属纳米线或碳材料，制造具有高柔韧性、延展性的神经电极。

可弯折、可拉伸的神经穿刺针：实现更安全、更舒适的植入方式，减少植入时的创伤和排异反应。

修复与再生：设计可拆卸、可更换的软性神经接口，延长设备使用寿命，提升临床治疗效果。

03生物传感材料的精准集成与应用

AJP的多材料沉积能力，使其能够实现微米级别的微结构打印，结合各类生物兼容材料，发展出多功能、实时监测的神经假体。

生物传感器的打印：整合酶、电化学等传感技术，用于检测神经化学信号、炎症反应和血糖水平等指标，实现闭环控制。

神经信号与生理参数的同步监测：利用喷印的微电极阵列，实现多点、多通道神经信号的高精度采集，改善信号质量和稳定性。

药物释放与调控：喷射打印载有药物的微孔结构，结合传感信息，实现局部药物定向释放，帮助神经修复。

04多材料、多层次结构的复杂系统制造

AJP可实现多材料、多层次、多结构的复杂设计，为创新神经假体提供了丰富的制造平台。

复合材料堆叠：灵活堆叠导电、绝缘、缓冲材料，形成功能丰富的多层神经接口。

微流控集成：结合微流体技术，为递送药物或流体信号提供微型通路。

智能化装置：实现自感知、自动调节的智能神经假体，如智能假肢、脑机接口等。

AJP在神经工程中的优势

01高空间分辨率与精确控制

AJP的喷嘴尺寸极小，可实现微米级别的精细布局，满足神经细胞微环境中的微空间需求。

02灵活性强，适应复杂形状

可在弯曲、弧面和不规则表面上直接打印，特别适合人体生物组织的复杂几何形状，有助于提升植入成功率和信号质量。

03多材料、多功能一体化

支持多种导电、绝缘、生物兼容材料的沉积，满足神经设备多功能集成需求，加快科研和临床转化。

图文导读

图1.AJP技术的一般原理。AJP使用鞘气将雾化的微液滴聚焦成紧密定向的非接触流。这使打印具有可变的距离（1-5毫米），支持宽粘度范围（0.001-1 Pa·s），并减少喷嘴堵塞。该系统与高密度墨水和柔性基材兼容，非常适合在非平面表面上打印复杂的生物相容性结构。

图2.气溶胶喷射打印工艺示意图。该图说明了五个主要阶段：(1)雾化——使用超声波或气动雾化器将液体墨水转化为细雾；(2)输送——气溶胶通过载气向喷嘴输送；(3)准直——气溶胶流被对准并稳定；(4)气动聚焦——一种鞘气包围并将气流缩小到微米级光束；(5)冲击——雾化后的材料以精确的图案沉积在基板上。

图3.神经探针AJP打印工艺示例。(A)针对小鼠大脑区域的概念示意图：前额叶皮层、运动皮层、尾状纹状体和海马CA2/CA3。(B)矢状面脑切片显示3d打印探针柄（红色）穿透皮层、纹状体和海马。(C)基于AJP的金属纳米颗粒快速3D打印原理图，用于定制神经探针和电路布线。(D)打印时32通道探头图像。(E)带布线和连接器的探头原理图设计。(F)美国1美分硬币旁边的最终打印探针作为比例。

图4.神经假肢腿。一位下肢截肢者佩戴着定制的假肢，其膝关节和踝关节部件配备了用于感觉反馈的装置。假肢膝关节中的编码器（A）测量屈曲度，而脚下的传感器化鞋垫收集压力数据。传感器输出被传输至外部控制器，该控制器激活与植入坐骨神经胫骨部分（B）的横向神经束多通道电极相连的刺激器，神经接口位于神经束内。

结语

先进的微制造技术，特别是气溶胶喷射打印技术和微纳加工，在神经界面和生物电子设备中的应用具有广阔前景。这些技术实现了高精度、个性化的神经探针和传感器的快速制造，有助于提升神经信号的采集、刺激与反馈能力，为脑机接口、神经修复和智能假体的临床应用提供了坚实基础。未来，结合多材料集成和生物相容性研究，有望推动神经电子设备向更小型化、更柔性、更智能化方向发展，极大改善神经疾病的治疗效果，推动个性化医疗迈向新阶段。

气溶胶喷射打印（AJP）技术在神经电子设备制造中展现出优异的高精度和多材料兼容性，能够实现微米级电极和微结构的高效制备。其卓越的空间分辨率和柔性适应性，为软性神经界面、脑机接口等生物电子器件的创新发展提供了有力支撑，推动神经工程向智能化、个性化方向迈进。

相关产品其他成果相关视频

气溶胶喷射打印 AJ 200

Aerosol Jet 200是一款紧凑型台式气溶胶喷射打印设备，定位于专业级科研试制、材料工艺开发与小批量定制化生产，是一款兼顾精细打印精度、多材料兼容性与操作便捷性的高性价比平台，主要面向高校、科研机构、材料开发商及小型电子制造企业。

气溶胶喷射打印 AJ HD2

吞吐量准确度/重复性打印线路尺寸工作区域材料每秒3根点到点导线堆叠芯片上每秒最高达48根导线 +/-5μmover 25 mm+/-2μmover 25mm 可变范围10-860 μm间距：最小可达20μm厚度：<1-10+μm 300×300 mm(XY)100 mm(Z)导体：银、铜、金，铝，镍，铟(开发中)电介质：聚酰亚胺、紫外光固化丙烯酸酯光刻胶超材料：石墨烯，钙钛矿、 MXene运动系统过程控制软件视野雾化器XY:直线电机Z:循环滚珠丝杠0.1μm分辨率的数字增量编码器数字配方控制用于过程监控的自动报警 CAD/CAM离线编程易于编程、自动化制成、运动和视觉系统Cognex Vision工具： Blob、Edge、PatMAX12 MPUSB 3.0RGB LED照明超声雾化(1-15 Cps)或气动雾化(1-1000 Cps) 电源200-250 VAC单相50/60 HZ氮气50 PSI@28 SLPM(MAX)尺寸1168×1525×2185mm(46×60×86英寸)重量1250磅(567 KG)地板4”(102 mm)连续衬垫厚度

气溶胶喷射打印 AJ 5X

Aerosol Jet 5X系统是一个模块化、共形打印电子产品解决方案，可满足不断发展的研发和生产需求。在研发和制造需求的推动下，该系统解决了不断发展的产品功能需求，同时减小尺寸降低了重量，从平面到多轴的沉积能力开始，通过小批量生产需求促进快速成型。

《JACS》：微米级精度，气溶胶喷射打印实现COF薄膜的可控图案化与复合

在材料科学领域，共价有机框架（COFs）因其高比表面积、可调的孔结构以及优异的功能性，被视为下一代高性能材料的重要候选。然而，COFs的传统合成方法往往面临加工难、成型难、图案化难的瓶颈——它们通常不溶于常见溶剂，难以通过常规手段制备成薄膜或复杂结构。

《Adv. Healthcare Mater.》：基于气溶胶喷射打印技术的多功能可定制化生物电子器件与软体组织工程应用

随着生命科学和电子工程的交叉融合，生物电子技术逐渐成为推动医学、科研和产业革新的关键力量。尤其是在组织工程和器官模拟方面，如何实现高效、灵活、可定制的电极界面，成为当前科研的热点之一。

《Nano Letters》：气溶胶喷射打印 MXene-CNF 软致动器，解锁软机器人新可能

在科技飞速发展的今天，软机器人正从实验室走向实际应用 —— 从医疗领域的微创操作器械，到可穿戴设备的柔性驱动单元，再到微型机器人的精准运动控制，都离不开核心部件 “软致动器” 的突破。传统软致动器要么难以实现微型化制造，要么设计灵活性不足，要么依赖有线供电限制移动能力。而近期发表在《Nano Letters》上的一项研究，用气溶胶喷射打印（AJP）技术打造的 MXene - 纤维素纳米纤维（CNF）复合致动器，一次性解决了规模化、定制化、多刺激响应三大痛点，为下一代软机器人发展铺平了道路。