研究人员开发出可3D打印人体生物传感器植入物的独特树脂

2022年6月28日，南极熊获悉，休斯顿大学的科学家们已经开发出一种新型3D打印生物传感器的方法，这些传感器有朝一日可以被植入人类宿主体内。

研究团队利用多光子光刻技术（MPL），逐层聚合含有有机半导体材料的树脂，以形成微小的、生物兼容的线路板。到目前为止，研究人员已经利用新工艺创建了高精度的葡萄糖传感器。随着进一步的研发，他们相信它可以为生产新一代的生物电子装置铺平道路。

研究人员在论文中表示："3D生物打印新工艺引入了一种掺有有机半导体（OS）材料的均匀而透明的光敏树脂，以制造各种三维OS复合微结构（OSCM）。我们]的结果证明了这些设备在从柔性生物电子学到纳米电子学和片上器官设备等广泛的应用中的巨大潜力。"

△研究人员最初的3D打印微结构。图片来自休斯顿大学。

将导电植入物带入生活

在他们的论文中，研究人员将MPL确定为"最先进"的直接激光写入（DLW）3D打印技术，因为它的材料多样性和它能够实现的高水平的精度（低至15纳米的分辨率）。因此，休斯顿团队认为该技术是生产纳米电子器件类型的理想选择，这些器件在过去几年中已成为重点研究的对象。

然而，3D打印这种生物植入物的可行性仍然受到原材料低导电性的限制。据科学家们说，这是由于生物电子原型通常是由碳纳米管或石墨烯制成的，因此它们具有无机特性——"很难在树脂中均匀地分散"、"没有明显的相分离"。

为了绕过这些缺点，休斯顿的研究人员开发了一种独有的MPL树脂，由加载了DMSO的PEGA聚合物、PEDOT:PSS有机半导体、层粘连蛋白和葡萄糖氧化酶组成，可以精确地3D打印成具有同质性的迷你生物电路板。

△该团队的有机电子3D打印工作流程。图片来自休斯顿大学。

3D打印细胞兼容的PCBs

最初，研究人员用他们的材料生产了多个微电子装置，包括一个印刷电路板（PCB），具有一个微型电容器阵列。一旦他们证明了其技术的有效性，该团队开始用层粘连蛋白进行实验，这是一种在不同动物组织的膜上发现的糖蛋白，有利于细胞附着、信号传递和迁移。

在给他们的树脂加载蛋白质后，该团队将其3D打印成进一步的复杂微结构，然后在小鼠组织内培养48小时。科学家们指出，与未加载蛋白质的样本相比，他们的细胞显示出"增强的生存能力"，同时还保留了促进附着和增殖的能力。

在确定其植入物的生物相容性后，研究人员试图评估该设备的电化学特性。在1kHz的生物相关频率下的测试表明，随着微电极直径的增加，该团队的PCBs的电阻抗在所有频率（1至105Hz）上都有所下降，结果与之前报道的结果一致。

最后，为了展示他们的方法的应用潜力，科学家们用它来生产一种新型的生物传感器，该传感器能够部署电流，以高稳定性和高精确度检测葡萄糖水平。鉴于该设备的灵敏度比目前的监测器高10倍，该团队说他们的树脂现在可以帮助加速人类实现电子植入的进展。

研究人员在他们的论文中总结说："我们预计，所提出的与MPL兼容的OS复合树脂将为生产柔软的、具有生物活性的和导电的微结构铺平道路，有望投入到柔性生物电子/生物传感器、纳米电子、芯片上的器官和免疫细胞治疗等新兴领域的各项应用当中。

△一组由层粘连蛋白注入的3D打印微结构。图片来自休斯顿大学。

推进可控植入物的发展

尽管可控植入物的想法听起来很科幻，但在通过3D打印技术来实现这个设想方面，休斯顿团队的项目并不是第一个。过去，雷尼绍与Herantis Pharma公司一起进行了一项研究，看到它3D打印了一个旨在治疗帕金森病的神经灌注药物输送装置。

同样，谢菲尔德大学、圣彼得堡国立大学和德累斯顿工业大学的科学家们此前也开发了一种3D打印的神经植入物，用于治疗神经系统损伤。至少在理论上，该设备将生物学和电子学结合起来，使大脑与计算机相连，从而使医生有能力解决神经系统疾病。

同样，在另一个实验性使用案例中，CCDC士兵中心的Joshua Uzarski去年告诉3D打印行业，美国陆军目前正在研究赛博朋克式的生物传感器。这些设备仍处于非常早期的开发阶段，可用于对部队进行生理追踪，同时也为他们提供了对战场上潜在形势威胁的强化意识。

研究人员的发现在他们题为 "有机半导体器件的多光子光刻技术用于柔性电子电路、生物传感器和生物电子学的3D打印/Multiphoton Lithography of OrganicSemiconductor Devices for 3D Printing of Flexible Electronic Circuits, Biosensors,and Bioelectronics"的论文中得到了详细说明。这项研究是由OmidDadras-Toussi, Milad Khorrami, Anto Sam Crosslee Louis Sam Titus, SheereenMajd, Chandra Mohan和Mohammad Reza Abidian共同撰写的。

相关论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202200512