以色列魏茨曼科学研究所的科学家们用3D打印出了一种“电子鼻”配件，使其能够安全地“嗅出”化学物质，从而识别人们是否感染了COVID-19(新型冠状病毒)。
该团队的仪器配有一个气体装置、传感器阵列和3D打印采样阀，经过实际测试训练，可以发现患者鼻道内的新冠病毒和其他挥发性有机化合物(VOCs)。科学家们认为，随着进一步的研发，他们的设备可以帮助扩大新冠检测的规模，并随着机场和线下活动开始重新开放而加快这一过程。
“每种疾病都有一种气味，”该项目负责人诺姆·索贝尔(Noam Sobel)在去年的早期测试中解释说。“这是因为疾病会改变具有代谢物的代谢过程，而这些代谢物具有气味。”
“我们的实验室里有一种被称为‘电子鼻’的设备，”他补充说。“这是一种敏感设备，它能产生一种模式，反映它闻到的每一种气味，所以我们决定使用它来看看我们是否能确定新冠病毒的气味特征。”
“我们获得的信息可能会为快速诊断开辟一条道路。”
科学家在新冠检测期间使用了经过 3D 打印优化的电子鼻。图片来自Plos One杂志。
“嗅出”新冠的迹象
虽然病毒本身不会释放挥发性有机化合物，但它们可以导致受感染的人体细胞这样做，因此许多疾病实际上可以通过气味来检测。因此，目前可以用训练有素的动物(如狗)来识别看似健康的个体的疾病迹象，但到目前为止，要大规模实施这一方法还存在问题。
与此同时，电子鼻包含多个传感器，它们可以被优化来检测不同化学范围的信号，并进行训练以模仿动物的嗅觉系统。然而，开发能够针对特定挥发性有机物的多传感器模式非常耗时，该团队在疫情爆发时开始调整“鼻子”以检测新冠病毒，当时时间非常紧迫。
更重要的是，科学家们的设备当时是基于实验室的，这意味着他们需要对其进行调整，使其适用于场外应用。为了实现这一目标，研究人员决定3D打印一种新型的采样装置，然后迅速获得以色列卫生部的批准，并与Magen David Adom (MADA)合作，在一个免下车式检测中心实地测试他们的强化电子鼻。
以色列科学家的3D打印采样阀。图片来自Plos One杂志。
现场测试强化后的“电子鼻”
作为实验的基础，科学家们使用了AIRSENSE PEN3电子鼻，其中包括10个不同的温度调节金属氧化物传感器作为标准，使其能够“感知”新冠病毒。后来，为了防止回流，以及在反复测试后人们意外感染，该团队选择为他们的PEN3配备一个3D打印的单向流动阀。
研究人员的采样设备使用CAD软件设计而成，可紧贴用来吸气的“鼻孔”，为检测对象提供了额外的一层保护，以防止设备故障。在实践中，在MADA位于特拉维夫的测试诊所，该团队的电子鼻在22天的过程中被不同的患者使用，每个人使用80秒，然后进行正常的核酸检测。
结果数据通过Mathworks的Matlab软件反复运行，使用深度学习算法“训练”科学家的设备识别阳性和阴性测试之间的挥发性有机化合物差异，最终实现平均“真阳性”率约为66.7%，“假阳性”结果为57%。
尽管以色列团队承认他们尚未确定新冠病毒信号的精确“分子身份”，而且他们的设备返回了非常高水平的误报，但他们坚持认为这些错误是由“嗅觉噪音”引起的，一个完全优化的电子鼻仍然可以用于帮助世界在大流行并后重新开放。
3D打印新冠检测设备
自去年疫情在全球爆发以来，研究人员利用多种3D打印技术生产了新型冠状病毒实验性检测试剂盒。卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)的科学家使用Optomec公司的气溶胶喷射打印(AJP)工艺，创造了一种新型3D打印传感器，能够快速检测新冠抗体。
与此同时，瓦赫宁根大学(Wageningen University)的研究人员采取了一种超低成本的方法，将回收的咖啡胶囊制成新冠检测仪，可以在家里组装，成本不到20便士。通过在胶囊中安装3D打印的小药瓶支架，研究团队能够将胶囊转化为微型“化学反应器”，通过加热来判断患者是否感染。
在其他领域，3D打印服务提供商PrintParts通过扩大供应链，大规模生产鼻咽拭子，帮助满足了新冠检测需求。在去年疫情最严重的时候，该公司在曼哈顿开设了一个新的生产实验室，使其能够生产大量棉签供纽约市使用。
研究人员的发现详细发表在他们的论文《电子鼻实时检测SARS CoV-2感染概念的证明》中。这项研究由Kobi Snitz, Michal Andelman-Gur, Liron Pinchover, Reut Weissgross, Aharon Weissbrod, Eva Mishor, Roni Zoller, Vera Linetsky, Abebe Medhanie, Sagit Shushan, Eli Jaffe和Noam Sobel共同完成。