厦门大学陈忠教授团队3D打印射频探头开发磁共振应用

来源：厦门大学

近日，厦门大学电子科学与技术学院、福建省等离子体与磁共振重点实验室陈忠教授团队在国际知名期刊《自然 通讯》（Nature Communications）在线发表了题为“3D-printed integrative probeheads for magnetic resonance”的研究论文。该研究利用高精度3D打印和液态金属灌注技术制备出包含有射频线圈和定制化样品管道结构在内的一体化磁共振射频探头前端，克服了传统磁共振三维微型线圈成型困难、与样品腔匹配程度差等问题，提高了探头的信噪比，为定制化的磁共振检测提供了新思路。

图1. 3D打印制造的精确加工一体化磁共振探头前端

射频探头前端作为核磁共振设备的核心部件之一，极大程度的决定着系统实验性能的优劣。探头前端通常由射频线圈、射频电路及样品检测管道等部分组成。现有的射频线圈制作技术主要是通过手工或机械手段按照所需的线圈形状进行绕制。但是，当线圈结构较为复杂、不规则，或体积尺寸较小时，常规绕制方法便难以满足结构设计和制造的精度需求，因此造成线圈性能的劣化，增大检测区域的射频场不均匀性，对核磁共振检测产生负面影响。同时，针对不同样品的定制化检测区结构与射频线圈之间的匹配也存在一定困难。针对上述问题，陈忠教授研究团队设计搭建了一种结合高精度3D打印和液态金属灌注技术的一体化新型磁共振探头前端，有效地提高了微型线圈的加工精度，拓展了定制化磁共振检测的应用领域，具有很好的产业化应用价值（发明专利公开号 : CN111257363A ）。

图2. 3D打印一体化连续流分离检测磁共振探头

本研究中，利用3D打印熔融沉积制造或光敏树脂选择性固化技术精确加工出一体化磁共振探头前端，使用常温液态金属填充线圈模型管路形成射频线圈，搭建出稳定的一体化磁共振射频探头。打印材料和液态金属种类均经过系统性的优选和优化，提升了常规材料的电磁特性，保证了探头的基本性能。

课题组又进一步开发了3D打印的定制化原位电化学-核磁共振联用探头通过相互分离的电极腔设计，更简便的实现了电化学反应的实时原位监测；3D打印的连续流体分离探头则利用内部包含的颗粒吸附腔和离子分离管道，对化学反应的顺磁性产物进行了有效的连续流过滤分流，克服了磁性产物对磁共振实验的破坏性影响，实现了复杂反应的原位产物监控。

此外，该技术还被用于设计加工适用于小体积样品的定制化磁共振成像探头。成像线圈根据待测样品结构尺寸，与样品腔进行一体化设计，二者紧密贴合，提高了线圈的填充因子，可得到更高信噪比的成像结果。因此，3D打印与液态金属灌注技术相结合，能够实现复杂结构三维线圈的微米级精度设计和加工，快速构建包含有定制化样品管道的多尺寸一体化核磁共振探头前端。整体设计灵活，可更加有效的满足核磁实验需求。

该工作由厦门大学电子科学与技术学院陈忠教授、游学秋副研究员和孙惠军高级工程师共同指导完成，博士研究生谢君尧为论文第一作者。厦门大学电子科学与技术学院黄玉清高级工程师、王忻昌副教授、倪祖荣助理教授、硕士研究生张德超，化学化工学院杨朝勇教授、博士研究生李星锐，萨本栋微米纳米科学技术研究院陈宏教授为合作作者。研究工作得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金等项目支持。