研究人員開發(fā)出可3D打印人體生物傳感器植入物的獨特樹脂
魔猴君 行業(yè)資訊 847天前
2022年6月28日，休斯頓大學的科學家們已經(jīng)開發(fā)出一種新型3D打印生物傳感器的方法，這些傳感器有朝一日可以被植入人類宿主體內。研究團隊利用多光子光刻技術（MPL），逐層聚合含有有機半導體材料的樹脂，以形成微小的、生物兼容的線路板。到目前為止，研究人員已經(jīng)利用新工藝創(chuàng)建了高精度的葡萄糖傳感器。隨著進一步的研發(fā)，他們相信它可以為生產(chǎn)新一代的生物電子裝置鋪平道路。
研究人員在論文中表示："3D生物打印新工藝引入了一種摻有有機半導體（OS）材料的均勻而透明的光敏樹脂，以制造各種三維OS復合微結構（OSCM）。我們]的結果證明了這些設備在從柔性生物電子學到納米電子學和片上器官設備等廣泛的應用中的巨大潛力。"
△研究人員最初的3D打印微結構。圖片來自休斯頓大學。
將導電植入物帶入生活
在他們的論文中，研究人員將MPL確定為"最先進"的直接激光寫入（DLW）3D打印技術，因為它的材料多樣性和它能夠實現(xiàn)的高水平的精度（低至15納米的分辨率）。因此，休斯頓團隊認為該技術是生產(chǎn)納米電子器件類型的理想選擇，這些器件在過去幾年中已成為重點研究的對象。然而，3D打印這種生物植入物的可行性仍然受到原材料低導電性的限制。據(jù)科學家們說，這是由于生物電子原型通常是由碳納米管或石墨烯制成的，因此它們具有無機特性——"很難在樹脂中均勻地分散"、"沒有明顯的相分離"。為了繞過這些缺點，休斯頓的研究人員開發(fā)了一種獨有的MPL樹脂，由加載了DMSO的PEGA聚合物、PEDOT:PSS有機半導體、層粘連蛋白和葡萄糖氧化酶組成，可以精確地3D打印成具有同質性的迷你生物電路板。
△該團隊的有機電子3D打印工作流程。圖片來自休斯頓大學。
3D打印細胞兼容的PCBs
最初，研究人員用他們的材料生產(chǎn)了多個微電子裝置，包括一個印刷電路板（PCB），具有一個微型電容器陣列。一旦他們證明了其技術的有效性，該團隊開始用層粘連蛋白進行實驗，這是一種在不同動物組織的膜上發(fā)現(xiàn)的糖蛋白，有利于細胞附著、信號傳遞和遷移。在給他們的樹脂加載蛋白質后，該團隊將其3D打印成進一步的復雜微結構，然后在小鼠組織內培養(yǎng)48小時?？茖W家們指出，與未加載蛋白質的樣本相比，他們的細胞顯示出"增強的生存能力"，同時還保留了促進附著和增殖的能力。
在確定其植入物的生物相容性后，研究人員試圖評估該設備的電化學特性。在1kHz的生物相關頻率下的測試表明，隨著微電極直徑的增加，該團隊的PCBs的電阻抗在所有頻率（1至105Hz）上都有所下降，結果與之前報道的結果一致。最后，為了展示他們的方法的應用潛力，科學家們用它來生產(chǎn)一種新型的生物傳感器，該傳感器能夠部署電流，以高穩(wěn)定性和高精確度檢測葡萄糖水平。鑒于該設備的靈敏度比目前的監(jiān)測器高10倍，該團隊說他們的樹脂現(xiàn)在可以幫助加速人類實現(xiàn)電子植入的進展。
研究人員在他們的論文中總結說："我們預計，所提出的與MPL兼容的OS復合樹脂將為生產(chǎn)柔軟的、具有生物活性的和導電的微結構鋪平道路，有望投入到柔性生物電子/生物傳感器、納米電子、芯片上的器官和免疫細胞治療等新興領域的各項應用當中。
△一組由層粘連蛋白注入的3D打印微結構。圖片來自休斯頓大學。
推進可控植入物的發(fā)展
盡管可控植入物的想法聽起來很科幻，但在通過3D打印技術來實現(xiàn)這個設想方面，休斯頓團隊的項目并不是第一個。過去，雷尼紹與Herantis Pharma公司一起進行了一項研究，看到它3D打印了一個旨在治療帕金森病的神經(jīng)灌注藥物輸送裝置。
同樣，謝菲爾德大學、圣彼得堡國立大學和德累斯頓工業(yè)大學的科學家們此前也開發(fā)了一種3D打印的神經(jīng)植入物，用于治療神經(jīng)系統(tǒng)損傷。至少在理論上，該設備將生物學和電子學結合起來，使大腦與計算機相連，從而使醫(yī)生有能力解決神經(jīng)系統(tǒng)疾病。
同樣，在另一個實驗性使用案例中，CCDC士兵中心的Joshua Uzarski去年告訴3D打印行業(yè)，美國陸軍目前正在研究賽博朋克式的生物傳感器。這些設備仍處于非常早期的開發(fā)階段，可用于對部隊進行生理追蹤，同時也為他們提供了對戰(zhàn)場上潛在形勢威脅的強化意識。
研究人員的發(fā)現(xiàn)在他們題為 "有機半導體器件的多光子光刻技術用于柔性電子電路、生物傳感器和生物電子學的3D打印/Multiphoton Lithography of OrganicSemiconductor Devices for 3D Printing of Flexible Electronic Circuits, Biosensors,and Bioelectronics"的論文中得到了詳細說明。這項研究是由OmidDadras-Toussi, Milad Khorrami, Anto Sam Crosslee Louis Sam Titus, SheereenMajd, Chandra Mohan和Mohammad Reza Abidian共同撰寫的。
相關論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202200512
