廈門大學(xué)陳忠教授團隊3D打印射頻探頭開發(fā)磁共振應(yīng)用

來源：廈門大學(xué)

近日，廈門大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(fā)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打印和液態(tài)金屬灌注技術(shù)制備出包含有射頻線圈和定制化樣品管道結(jié)構(gòu)在內(nèi)的一體化磁共振射頻探頭前端，克服了傳統(tǒng)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，為定制化的磁共振檢測提供了新思路。

圖1. 3D打印制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(shè)備的核心部件之一，極大程度的決定著系統(tǒng)實驗性能的優(yōu)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(xiàn)有的射頻線圈制作技術(shù)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(dāng)線圈結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、不規(guī)則，或體積尺寸較小時，常規(guī)繞制方法便難以滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造的精度需求，因此造成線圈性能的劣化，增大檢測區(qū)域的射頻場不均勻性，對核磁共振檢測產(chǎn)生負(fù)面影響。同時，針對不同樣品的定制化檢測區(qū)結(jié)構(gòu)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(shè)計搭建了一種結(jié)合高精度3D打印和液態(tài)金屬灌注技術(shù)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，拓展了定制化磁共振檢測的應(yīng)用領(lǐng)域，具有很好的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用價值（發(fā)明專利公開號 : CN111257363A ）。

圖2. 3D打印一體化連續(xù)流分離檢測磁共振探頭

本研究中，利用3D打印熔融沉積制造或光敏樹脂選擇性固化技術(shù)精確加工出一體化磁共振探頭前端，使用常溫液態(tài)金屬填充線圈模型管路形成射頻線圈，搭建出穩(wěn)定的一體化磁共振射頻探頭。打印材料和液態(tài)金屬種類均經(jīng)過系統(tǒng)性的優(yōu)選和優(yōu)化，提升了常規(guī)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(fā)了3D打印的定制化原位電化學(xué)-核磁共振聯(lián)用探頭通過相互分離的電極腔設(shè)計，更簡便的實現(xiàn)了電化學(xué)反應(yīng)的實時原位監(jiān)測；3D打印的連續(xù)流體分離探頭則利用內(nèi)部包含的顆粒吸附腔和離子分離管道，對化學(xué)反應(yīng)的順磁性產(chǎn)物進行了有效的連續(xù)流過濾分流，克服了磁性產(chǎn)物對磁共振實驗的破壞性影響，實現(xiàn)了復(fù)雜反應(yīng)的原位產(chǎn)物監(jiān)控。

此外，該技術(shù)還被用于設(shè)計加工適用于小體積樣品的定制化磁共振成像探頭。成像線圈根據(jù)待測樣品結(jié)構(gòu)尺寸，與樣品腔進行一體化設(shè)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(jié)果。因此，3D打印與液態(tài)金屬灌注技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)三維線圈的微米級精度設(shè)計和加工，快速構(gòu)建包含有定制化樣品管道的多尺寸一體化核磁共振探頭前端。整體設(shè)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(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳忠教授、游學(xué)秋副研究員和孫惠軍高級工程師共同指導(dǎo)完成，博士研究生謝君堯為論文第一作者。廈門大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(xué)化工學(xué)院楊朝勇教授、博士研究生李星銳，薩本棟微米納米科學(xué)技術(shù)研究院陳宏教授為合作作者。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金等項目支持。