3D 打印血管微组织传感器，让鱼过敏原无所遁形

来源：EFL生物3D打印与生物制造

在过去几十年，食品过敏引发诸多公共健康事件，预防过敏的关键在于对食品过敏原进行早期预警和快速检测。鱼类营养丰富，但也是常见的过敏原，鱼副肌球蛋白是鱼类主要过敏原，会对特殊人群造成严重过敏反应。  

目前，生物传感器虽成为食品安全检测的新手段，但多数电化学细胞传感器为2D细胞培养模式，存在忽略细胞三维培养、难以模拟体内过敏环境的问题。部分研究用凝胶材料实现细胞三维空间排列，但手动操作误差影响传感器灵敏度和重复性。  

南京财经大学的王立峰、蒋栋磊教授团队，运用EFL3D生物打印技术设计并制备了一种新型血管微组织电化学传感器，用于鱼副肌球蛋白的检测和评估。该技术实现了仿生血管微组织结构的高通量、标准化构建，能模拟过敏原进入人体后的自然反应，反映细胞致敏前后的生理功能变化。  相关工作以“3D bio-printing-based vascular-microtissue electrochemical biosensor for fish parvalbumin detection”为题发表在《Food Chemistry》上，为解决食品过敏原检测难题提供了新途径。

研究内容
1. 血管微组织和复合水凝胶的表征
通过3D建模、扫描电子显微镜（SEM）以及激光共聚焦扫描显微镜（CLSM）等研究方法，对以10%（w/v）GelMA为生物墨水基底材料3D打印的血管微组织及其复合水凝胶进行研究。结果表明，GelMA水凝胶内部具有较为致密的多孔网络结构，为细胞提供了附着位点，且内部孔隙均匀排列，有利于营养物质运输和细胞代谢废物排出。细胞能够很好地附着在水凝胶网络结构上，并在三维空间中均匀分布，这证明了水凝胶选择、生物墨水制备以及血管模型设计的可行性与有效性。

图1. 血管微组织和复合水凝胶的表征。

图2. 血管微组织的共聚焦激光扫描显微镜表征。

2. 修饰电极的表征
运用扫描电子显微镜（SEM）、循环伏安法（CV）和差分脉冲伏安法（DPV）等方法，对金和Cu - MOF修饰的石墨棒电极进行研究。结果显示，金和Cu - MOF成功修饰到电极表面，从SEM图像可看到电极表面有致密且相对均匀的金颗粒。通过CV和DPV测试可知，修饰后的电极与未修饰前相比，氧化还原峰更明显，峰电流显著增大。修饰电极的有效电活性表面积增大，这表明电极修饰成功且显著提升了电极的电化学性能。

图3. 修饰电极的表征。  

3. 传感器的表征与优化
采用循环伏安法（CV）、差分脉冲伏安法（DPV）和电化学阻抗谱（EIS）等研究方法，对不同修饰材料以及细胞浓度对传感器性能的影响进行研究并优化。结果表明，添加导电材料PDA - MWCNT可提升水凝胶的导电性，其浓度在0 - 2.0mg/mL范围内时，导电水凝胶的DPV峰电流逐渐增大，在2.0mg/mL时达到最佳。通过EIS建立细胞浓度与阻抗的关系，发现细胞浓度在1×10² cell/mL到1×10⁶ cell/mL范围内，与阻抗值呈正相关，线性方程为y = 1483x + 5847，相关系数为0.988，最终选定1×10⁶ cells/mL作为后续实验的细胞浓度，成功构建了性能良好的电化学传感器。

图4. 传感器的表征与优化。  

4. 微组织传感器对鱼副肌球蛋白的电化学检测
利用差分脉冲伏安法（DPV），以经鱼白蛋白IgE抗体激活肥大细胞构建的血管微组织电化学传感器为研究对象，检测不同浓度的鱼副肌球蛋白。结果显示，在0.1 - 4.0μg/mL范围内，传感器的峰电流随鱼副肌球蛋白浓度增加而增大，当鱼副肌球蛋白浓度在0.1 - 2.5μg/mL时，与峰电流呈线性关系，标准曲线方程为IDPV(μA)=31.30 + 5.46CPV(μg/mL)，相关系数R² = 0.990。根据检测限计算公式LOD = 3 × s / b（s为空白样品的标准偏差，b为标准曲线的斜率），计算得到检测限为0.065μg/mL，表明该传感器用于检测鱼副肌球蛋白具有可行性。

图5. 微组织传感器对鱼副肌球蛋白的电化学检测。

研究结论
本研究利用3D生物打印技术开发了一种仿生血管微组织传感器。通过模拟人体血管结构，实现了血管微组织的高通量、标准化制备。将这些微组织安装在经金和Cu-MOF修饰的石墨棒电极上，构建出新型仿生微组织电化学传感器，用于有效检测鱼副肌球蛋白。采用差分脉冲伏安法测定不同浓度的鱼副肌球蛋白，线性检测范围为0.1 - 2.5μg/mL，检测限为0.065μg/mL，相关系数为0.990（n=5）。3D生物打印技术显著缩短了电化学传感器的构建时间，降低了制备成本。该方法为模拟人体真实反应提供了新的仿生微组织传感策略，弥补了2D细胞培养的不足，是一种定量快速检测过敏原的新方法，在食品安全风险预防方面具有应用价值。

挑战与展望
本研究虽成功制备3D生物打印血管微组织电化学传感器用于检测鱼副肌球蛋白，但仍面临挑战。在传感器性能方面，检测限和灵敏度虽能满足部分需求，但对于更低浓度过敏原检测，还有提升空间；特异性上，复杂食品基质中可能存在干扰物质影响检测准确性。从实际应用看，传感器稳定性和重复性需在长期使用中进一步验证，且尚未广泛应用于食品检测行业，其实际适用性和可靠性还需大量实践检验。未来可优化材料组合与制备工艺提升传感器性能，增强其在复杂环境下检测能力。加强与食品检测行业合作，开展更多实际样品检测研究，推动传感器标准化和商业化进程，使其成为食品安全检测常规工具，为预防食品过敏风险发挥更大作用。

文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2024.138799