3D打印仿生电子鼻厉害了！能灵敏闻到炸药

作者：段苒  来源：高分子科学前沿

生物医学工程领域中制造技术的进步推进了仿生器官代替人体器官的可行性。获得先进的仿生器官的前提条件是将具有高精度的功能电子敏感器件有机整合到生物器官体系里。然而，电子器件和生物器官具有截然不同的材质和功能。当前的研究热点是如何弥合器件和器官间的差异，使整合的仿生器官能够协同作用，真正模拟人体原本器官。迄今为止，仿生器官研究已经取得了诸多进步，但是在听觉、嗅觉、视觉器官领域，还没有成功的案例。

哈佛大学Su Ryon Shin课题组与其合作者，在前期使用3D打印技术制备耳软骨的工作基础上（Nano Lett. 2013, 13, 2634），率先报道了一种3D打印制备的具有功能嗅觉的电子杂化鼻仿生器官。本文作者使用3D打印技术，选择包含软/硬单元且组分可调的打印墨水，制备了机械性能可调且和鼻软骨机械性能相似构架。该软骨构架能够使软骨细胞紧密贴附和快速增长。同时，将嗅觉敏感器件植入打印的鼻软骨体系中，获得杂化仿生鼻器官，成功实现了对不同化学物质和气味的灵敏识别，该工作以标题“A 3D-PrintedHybrid Nasal Cartilage with Functional Electronic Olfaction”发表在国际著名期刊Advanced Science上，第一作者是哈佛大学的Yasamin A. Jodat，通讯作者是哈佛大学Su Ryon Shin教授和Stevens Institute of Technology的Manu S.Mannoor教授。该工作的亮点是巧妙选择打印墨水，精准整合3D打印技术和电子敏感器件于一体，显著提高3D打印器官的生物相容性、而且力学性能和感知性能等诸多指标和人体器官的性能接近，本文研究的技术有望成为下一代的器官移植的选项。

作者通过使用PEGDMA和GelMA作为双组份（软和硬）墨水，使制备的软骨仿生材料既具备使细胞贴附的性能，又具有鼻组织维持形状和机械性能的强度。通过研究不同墨水组分和制备3D打印条件（打印速度、UV固化时间）等与制备的仿生材料在不同温度下的力学特性（储能模量、非牛顿剪切指数、粘度）、软硬组分的直径、材料的力学性能、降解速度、三维孔径分布和稳定性等特征的关系，可以筛选出适宜的鼻软骨墨水组成和3D打印条件（图1和2）。这些材料、性能、制备工艺之间的关系，不仅为本课题的鼻软骨研究提供基本数据，也可以为后续其他3D打印人体器官提供借鉴意义。

图1. 软和硬两种打印墨水的流变学性质a) 储能模量(G')和损耗模量(G”)与温度的相关性(N = 3). b) 储能模量(G')和损耗模量(G”)与频率的相关性(N = 3). c) 粘度与剪切应力的关系-剪切变稀行为(N = 3). d) 在不同打印速度下的墨水打印出来的纤维的荧光成像研究（由于软膜水粘度小，其打印纤维直径大）。 e) （d）图中打印出的纤维的直径统计.在低粘度情况下，硬墨水纤维直径200-480微米，软墨水直径550-1200微米（N=4）f) GelMA墨水的可打印性能与凝胶化的条件优化统计结果.

图2.a) 在37度和紫外光交联固化后的打印墨水的组成示意图。点表示紫外固化后的交联点。硬墨水部分的交联点多的原因是有高的GelMA 浓度。在37度的培养液中，明胶溶解，留下具有多空结构的打印材料。b) 软墨水（红色）和硬墨水（绿色）在比例1:1和固化光功率150 mW cm−2 的条件下得到的立方打印材料。c) 软墨水（红色）和硬墨水（绿色）在不同比例条件下得到的打印材料的测试结果. d,e) (c)图中不同墨水组成条件下的应力-应变曲线. f) 杨氏模量结果 (N = 4). g) 非打印条件下软膜水和硬墨水得到的凝胶的杨氏模量结果. h) 凝胶样品在17天培养后的重量损失结果。UV固化条件被用来减低降解速度. i) 100 mW cm−2条件打印出的凝胶样品在17天培养前后的照片.j) 软(i,ii)凝胶和硬凝胶(iii,iv)的扫描电镜图.红线表示打印纤维的边界。

通过选择3D打印的材料的软硬双组份，在维持打印鼻软骨材料骨架的力学强度的情况下，尽量增大软组分含量，促使软骨细胞紧密贴附和快速增长（图3），这也是提高打印材料能够实现好的生物相容性与替代人体器官的可能性。

图3.体外细胞装载的墨水表征结果a) 细胞在打印体里面的生长示意图。b,c)在第10天和第30天分别对细胞用F‐actin/DAPI免疫染色，取得的激光共聚焦显微结果. d) 细胞在打印体里面的存活率，其结果开始稍微降低，但是第7天，细胞恢复了 (N = 3). e,f) z轴方向的3D重建显影结果. 扫描厚度是890微米。忖度图像里面的标尺是 200微米. g) PrestoBlue 评价结果分析细胞生理活性。细胞分别装载和种到打印件中，并在体外培养10天(N = 4, *p < 0.05, **p <0.01). h,i) 在培养20天后，COLII 染色和共聚焦显微镜成像软膜水的边缘（h）和里面部分的细胞。 j) 从打印边缘到内部的细胞产生胶原蛋白的量化结果。从边缘到内部，胶原蛋白产生量逐渐降低。边缘用荧光成像测定，同时DAPI用来表征胶原蛋白产出量。

在以上研究的基础上获取高效生物相容的3D打印配方后，本文作者将敏感电子器件植入3D软骨仿生材料中，获得的杂化材料借助基体材料的良好生物相容性，其也能够使软骨细胞迅速贴附增长。这个结果说明了本研究中的3D打印材料与电子器件复合的方法，可以实现杂化器官高度生物相容性（图4）。

图4.3D打印材料和电子敏感器件的整合。a) 在传感器电极上面打印软硬墨水组成的鼻子仿体。b,c) CAD 3D 示意图双组份墨水组成的鼻子仿体（上）和实际打印出的鼻子仿体照片（下）。 d) 微加工制造的含有三个电极的Au生物传感器（上）和3D打印双墨水组成的鼻子仿体（每个鼻孔有一个传感器电极）(下). e,f)对生长在Au传感器电极上的鼻软骨细胞d 活/死细胞染色来测试Au(e)和Ag (f)传感器电极的生物相容性。， g) 培养1天的细胞在Au(e)和Ag (f)传感器电极上的生物相容性的统计数据。h) 培养7天的细胞F‐actin/DAPI 染色结果


最后，本文作者使用炸药TNT作为检测物质的代表，来检验3D鼻软骨仿生器官体系内的电子器件的功能特性。令人兴奋的是，制备的3D仿生器官表现出了灵敏检测的特性（图5），实现了高达0.38 pg mL−1 的检测限和 8.6 (log(ng mL−1))−1的灵敏度，本文的结果远高于前人报道的结果。

图5. 生物传感机理和过程. a)对传感器进行TNT-特异性多肽修饰的示意图. b,c) 尼奎斯特图曲线用来测试在亚铁氰化物体系中不同TNT浓度下的反应结果。一旦多肽扑捉到TNT,在亚铁氰化物体系测试中的电极阻抗增加。d) 在0.1–1000 pg mL−1 的TNT浓度范围内和亚铁氰化物体系测试条件的波特图曲线. e) 亚铁氰化物体系中的TNT传感校正曲线. f) 细胞培养液中，对10 pg mL−1 的 TNT条件下的尼奎斯特图曲线。g) 在0.1–1000 pg mL−1 的TNT浓度范围内和细胞培养液中的波特图曲线. h) 细胞培养液中的TNT传感校正曲线. i) 在37度条件下，连续8天的TNT特异多肽的降解结果.


小结
本工作报道的使用双组份3D打印生物墨水来便捷制备仿生器官的设计理念，为后续进一步发展仿生鼻器官、鼻组织再生和移植，甚至其他功能化的仿生器官提供了借鉴意义。


全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.20190187