廈門大學陳忠教授團隊3D列印射頻探頭開發磁共振應用

來源：廈門大學
近日，廈門大學電子科學與技術學院、福建省等離子體與磁共振重點實驗室陳忠教授團隊在國際知名期刊《自然 通訊》（Nature Communications）在線發表了題為「3D-printed integrative probeheads for magnetic resonance」的研究論文。該研究利用高精度3D列印和液態金屬灌注技術製備出包含有射頻線圈和定製化樣品管道結構在內的一體化磁共振射頻探頭前端，克服了傳統磁共振三維微型線圈成型困難、與樣品腔匹配程度差等問題，提高了探頭的信噪比，為定製化的磁共振檢測提供了新思路。

圖1. 3D列印製造的精確加工一體化磁共振探頭前端

射頻探頭前端作為核磁共振設備的核心部件之一，極大程度的決定著系統實驗性能的優劣。探頭前端通常由射頻線圈、射頻電路及樣品檢測管道等部分組成。現有的射頻線圈製作技術主要是通過手工或機械手段按照所需的線圈形狀進行繞制。但是，當線圈結構較為複雜、不規則，或體積尺寸較小時，常規繞制方法便難以滿足結構設計和製造的精度需求，因此造成線圈性能的劣化，增大檢測區域的射頻場不均勻性，對核磁共振檢測產生負面影響。同時，針對不同樣品的定製化檢測區結構與射頻線圈之間的匹配也存在一定困難。針對上述問題，陳忠教授研究團隊設計搭建了一種結合高精度3D列印和液態金屬灌注技術的一體化新型磁共振探頭前端，有效地提高了微型線圈的加工精度，拓展了定製化磁共振檢測的應用領域，具有很好的產業化應用價值（發明專利公開號 : CN111257363A ）。

圖2. 3D列印一體化連續流分離檢測磁共振探頭

本研究中，利用3D列印熔融沉積製造或光敏樹脂選擇性固化技術精確加工出一體化磁共振探頭前端，使用常溫液態金屬填充線圈模型管路形成射頻線圈，搭建出穩定的一體化磁共振射頻探頭。列印材料和液態金屬種類均經過系統性的優選和優化，提升了常規材料的電磁特性，保證了探頭的基本性能。
課題組又進一步開發了3D列印的定製化原位電化學-核磁共振聯用探頭通過相互分離的電極腔設計，更簡便的實現了電化學反應的實時原位監測；3D列印的連續流體分離探頭則利用內部包含的顆粒吸附腔和離子分離管道，對化學反應的順磁性產物進行了有效的連續流過濾分流，克服了磁性產物對磁共振實驗的破壞性影響，實現了複雜反應的原位產物監控。
此外，該技術還被用於設計加工適用於小體積樣品的定製化磁共振成像探頭。成像線圈根據待測樣品結構尺寸，與樣品腔進行一體化設計，二者緊密貼合，提高了線圈的填充因子，可得到更高信噪比的成像結果。因此，3D列印與液態金屬灌注技術相結合，能夠實現複雜結構三維線圈的微米級精度設計和加工，快速構建包含有定製化樣品管道的多尺寸一體化核磁共振探頭前端。整體設計靈活，可更加有效的滿足核磁實驗需求。
該工作由廈門大學電子科學與技術學院陳忠教授、遊學秋副研究員和孫惠軍高級工程師共同指導完成，博士研究生謝君堯為論文第一作者。廈門大學電子科學與技術學院黃玉清高級工程師、王忻昌副教授、倪祖榮助理教授、碩士研究生張德超，化學化工學院楊朝勇教授、博士研究生李星銳，薩本棟微米納米科學技術研究院陳宏教授為合作作者。研究工作得到國家自然科學基金、中國博士後科學基金等項目支持。