Nature成果：创新3D打印传感器应对亚临床低钙血症，可帮助奶农年节省近10亿美元

2025年2月7日，南极熊获悉，美国布莱克斯堡弗吉尼亚理工大学动物科学学院的研究人员开发了一种突破性的3D 打印传感器，每年可为美国奶农节省近10 亿美元。这款检测设备能够检测奶牛的亚临床低钙血症 (SCH，一种众所周知的难以诊断的动物疾病)，并为奶牛养殖界的长期问题提供了一个有希望的解决方案。

相关研究以题为 “Attomolar-sensitive milk feversensor using 3D-printed multiplex sensing structures” 的论文发表在顶级杂志《自然通讯》上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55535-w#Abs1

亚临床性低钙血症，也称为乳热症，在乳制品行业是一个大问题。当奶牛的钙含量低于一定水平而没有明显症状时，就会发生 SCH。这种疾病通常出现在刚产犊的奶牛身上，据估计，大约 50% 的成熟奶牛和 25% 的初产奶牛都会患上这种疾病。这种疾病会降低产奶量、导致瘫痪并损害奶牛的免疫系统，使它们容易感染其他疾病。一些报告甚至估计，SCH 每年每 100 头奶牛造成的损失约为 8000 美元。

到目前为止，由于商用分析仪耗时费力，检测 SCH 一直颇具挑战性。然而，弗吉尼亚理工大学的研究人员正试图利用这种新型传感器改变这一现状。

将 3D打印传感器与挤奶机集成，用于奶牛侧面并连续测量牛奶样本中的 Ca2+ 和 P。该图是使用根据 CC-BY 4.0 许可发布的 BioRender.com 图像创建的。（图片来源：NatureCommunications）

弗吉尼亚理工大学的研究人员使用 3D 打印多路复用传感结构的 Attomolar 敏感型牛奶发热传感器。（图片来源：《自然通讯》）

新型传感器是使用 Form 3 SLA 打印机 3D 打印的，旨在检测牛奶样本中钙离子 (Ca2+) 与磷酸根离子的比例。检测设备利用 SLA 打印过程产生的自然皱纹来增加传感表面积，并将设备的整体灵敏度提高到阿摩尔精度（每立方厘米 600 个分子）。令人难以置信的是，结果在 10 秒内即可返回，并且设备对牛奶和血液样本的检测结果都非常准确。

a-b）分别为每个 WE 上的Ca 2+和 P 传感机制。在两个面板中，从上到下的层由样品（牛奶）、离子选择性膜 (ISM)、聚辛基噻吩 (POT)、金层 (Au)、铬层 (Cr) 和传感器基座组成。c-e) 不同放大倍数下沉积在褶皱 3D 打印传感器上的 Au 的 SEM 图像，其中标明了主要和次要图案。f) 最终涂层传感器的 SEM 图像。（图片来源：Nature Communications）

这款传感器如果在农场使用，可以更快地诊断出产奶热，减少与 SCH 相关的损失，并帮助奶牛保持健康。虽然这种设备的潜力显而易见，但在广泛采用之前还需要进一步开发。

总而言之，这款设备顺应了农业领域采用3D 打印的更大趋势，低成本、按需生产和高效技术使其成为农业领域的理想选择。随着农业继续采用这种传感器等创新解决方案，我可以看到未来 3D 打印将在改善动物健康、可持续性和整体效率方面发挥核心作用，最终改变食品的生产和交付方式。