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研究人員開發(fā)出可3D打印人體生物傳感器植入物的獨(dú)特樹脂

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2022年6月28日，休斯頓大學(xué)的科學(xué)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(nèi)。研究團(tuán)隊(duì)利用多光子光刻技術(shù)（MPL），逐層聚合含有有機(jī)半導(dǎo)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(jìn)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(jī)半導(dǎo)體（OS）材料的均勻而透明的光敏樹脂，以制造各種三維OS復(fù)合微結(jié)構(gòu)（OSCM）。我們]的結(jié)果證明了這些設(shè)備在從柔性生物電子學(xué)到納米電子學(xué)和片上器官設(shè)備等廣泛的應(yīng)用中的巨大潛力。"

△研究人員最初的3D打印微結(jié)構(gòu)。圖片來自休斯頓大學(xué)。

將導(dǎo)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(jìn)"的直接激光寫入（DLW）3D打印技術(shù)，因?yàn)樗牟牧隙鄻有院退軌驅(qū)崿F(xiàn)的高水平的精度（低至15納米的分辨率）。因此，休斯頓團(tuán)隊(duì)認(rèn)為該技術(shù)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(diǎn)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(dǎo)電性的限制。據(jù)科學(xué)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(jī)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(diǎn)，休斯頓的研究人員開發(fā)了一種獨(dú)有的MPL樹脂，由加載了DMSO的PEGA聚合物、PEDOT:PSS有機(jī)半導(dǎo)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(zhì)性的迷你生物電路板。

△該團(tuán)隊(duì)的有機(jī)電子3D打印工作流程。圖片來自休斯頓大學(xué)。

3D打印細(xì)胞兼容的PCBs

最初，研究人員用他們的材料生產(chǎn)了多個(gè)微電子裝置，包括一個(gè)印刷電路板（PCB），具有一個(gè)微型電容器陣列。一旦他們證明了其技術(shù)的有效性，該團(tuán)隊(duì)開始用層粘連蛋白進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這是一種在不同動(dòng)物組織的膜上發(fā)現(xiàn)的糖蛋白，有利于細(xì)胞附著、信號傳遞和遷移。在給他們的樹脂加載蛋白質(zhì)后，該團(tuán)隊(duì)將其3D打印成進(jìn)一步的復(fù)雜微結(jié)構(gòu)，然后在小鼠組織內(nèi)培養(yǎng)48小時(shí)。科學(xué)家們指出，與未加載蛋白質(zhì)的樣本相比，他們的細(xì)胞顯示出"增強(qiáng)的生存能力"，同時(shí)還保留了促進(jìn)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(shè)備的電化學(xué)特性。在1kHz的生物相關(guān)頻率下的測試表明，隨著微電極直徑的增加，該團(tuán)隊(duì)的PCBs的電阻抗在所有頻率（1至105Hz）上都有所下降，結(jié)果與之前報(bào)道的結(jié)果一致。最后，為了展示他們的方法的應(yīng)用潛力，科學(xué)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(shè)備的靈敏度比目前的監(jiān)測器高10倍，該團(tuán)隊(duì)說他們的樹脂現(xiàn)在可以幫助加速人類實(shí)現(xiàn)電子植入的進(jìn)展。

研究人員在他們的論文中總結(jié)說："我們預(yù)計(jì)，所提出的與MPL兼容的OS復(fù)合樹脂將為生產(chǎn)柔軟的、具有生物活性的和導(dǎo)電的微結(jié)構(gòu)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(xì)胞治療等新興領(lǐng)域的各項(xiàng)應(yīng)用當(dāng)中。

△一組由層粘連蛋白注入的3D打印微結(jié)構(gòu)。圖片來自休斯頓大學(xué)。

推進(jìn)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(shù)來實(shí)現(xiàn)這個(gè)設(shè)想方面，休斯頓團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目并不是第一個(gè)。過去，雷尼紹與Herantis Pharma公司一起進(jìn)行了一項(xiàng)研究，看到它3D打印了一個(gè)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(xué)、圣彼得堡國立大學(xué)和德累斯頓工業(yè)大學(xué)的科學(xué)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(shè)備將生物學(xué)和電子學(xué)結(jié)合起來，使大腦與計(jì)算機(jī)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(gè)實(shí)驗(yàn)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(shè)備仍處于非常早期的開發(fā)階段，可用于對部隊(duì)進(jìn)行生理追蹤，同時(shí)也為他們提供了對戰(zhàn)場上潛在形勢威脅的強(qiáng)化意識。

研究人員的發(fā)現(xiàn)在他們題為 "有機(jī)半導(dǎo)體器件的多光子光刻技術(shù)用于柔性電子電路、生物傳感器和生物電子學(xué)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(xì)說明。這項(xiàng)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。