布莱顿大学：3D 打印预改性普鲁士蓝细丝，制造葡萄糖监测生物传感器

2025年3月27日，南极熊获悉，来自布莱顿大学的研究人员开发了一种 3D 打印葡萄糖生物传感器，可以监测 HepG2 细胞中的葡萄糖消耗。

相关研究以题为“Prussian Blue Embedded CarbonThermoplastic Electrodes Crafted by Pre-Modification of 3D Printable Filaments”的论文发表在《ACS Publications》期刊上。 这项研究由 Chloe Miller 和临床与生物分析化学教授 Bhavik Anil Patel 共同领导，聚焦于前期阶段活性材料的改性沉积上。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acselectrochem.4c00093

研究人员采用了一种新方法：在 3D 打印之前将普鲁士蓝直接嵌入炭黑/聚乳酸 (CB/PLA) 细丝中。利用FlashForge Creator Pro 3D 打印机，该方法为化学改性电极的常见问题提供了一种潜在的解决方法，尤其是在稳定性和可重复性方面。

电化学传感器很大程度上依赖于发生反应的电极表面。因此，表面改性（例如提高导电性或增强选择性）通常必不可少。通常，这涉及在电极打印后沉积纳米颗粒或酶等材料。但这些打印后步骤通常很复杂、耗时，而且容易长期降解。

△示意图显示了使用 PB 对 CB/PLA 电极进行预改性和后改性的过程。图片来自布莱顿大学。

直接电沉积改善了材料控制和可打印性

据研究团队称，熔融丝制造 (FFF) 已成为传感器制造的首选 3D 打印技术，因为它价格实惠、可定制且易于使用。不过，它有一个问题：现成的导电材料有限，这使得许多研究人员只能求助于内部修改。例如，之前的一些尝试涉及将 Ni(OH)₂O₂O₂O₂ 检测中表现最佳，这可能是因为边缘处嵌入的普鲁士蓝暴露得更好。考虑到这一点，他们使用方格设计来构建葡萄糖生物传感器。在用葡萄糖氧化酶、牛血清白蛋白和戊二醛改性表面后，他们将传感器插入 3D 打印孔板中。

然后，他们测试了它在细胞培养装置中追踪葡萄糖水平的能力。当传感器被放入含有 HepG2细胞的培养基中 24 小时后，它成功测量出与对照样本相比葡萄糖浓度的下降，证明它可以在体外监测细胞代谢。

据研究人员介绍，这项研究展示了一种通过将普鲁士蓝直接嵌入 3D 打印细丝来制造葡萄糖生物传感器的新方法。通过成功监测细胞培养中的葡萄糖消耗，研究展示了这种方法在生物医学应用中可靠、实时生化传感的潜力。

△平面、圆顶和方格 CB/PLA 电极的光学显微镜图像。图片来自布莱顿大学。

3D打印生物传感器的新发展

除了布莱顿之外，之前的研究还探索了推进 3D 打印生物传感器发展的新方法。

2018 年 12 月，华盛顿州立大学(WSU) 的研究人员利用 3D 打印技术为糖尿病患者打造了一款无针血糖监测设备。设备采用直接墨水书写(DIW) 技术制造，拇指大小的生物传感器由分层碳和酶墨水制成，其中碳墨水用作电极，酶层吸收葡萄糖。这种设备贴在皮肤上，可测量汗液中的葡萄糖，是一种侵入性较小的指尖刺破替代品。与丝网印刷版本相比，设备具有更高的灵敏度、材料效率和长期稳定性，凸显了 DIW 在经济实惠的个性化生物传感器方面的潜力。

另外，成均馆大学的研究人员使用市售的喷墨打印头开发了用于健康监测的个性化可穿戴生物传感器。研究团队利用填充有柔性硅弹性体的 3D 打印糖支架，制造出轻质、导电且符合患者体形的传感器。这些设备在睡眠和跑步机测试期间以高灵敏度捕捉主动应变和被动信号，如 EMG、EDA 和 EEG，引领团队追求更广泛的个性化诊断应用。