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3D打印3D 打印靈敏度超高的仿生電子鼻

2020-02-21  1850

生物醫學工程領域中制造技術的進步推進了仿生器官代替人體器官的可行性。獲得先進的仿生器官的前提條件是將具有高精度的功能電子敏感器件有機整合到生物器官體系里。然而,電子器件和生物器官具有截然不同的材質和功能。當前的研究熱點是如何彌合器件和器官間的差異,使整合的仿生器官能夠協同作用,真正模擬人體原本器官。迄今為止,仿生器官研究已經取得了諸多進步,但是在聽覺、嗅覺、視覺器官領域,還沒有成功的案例。

哈佛大學Su Ryon Shin課題組與其合作者,在前期使用3D打印技術制備耳軟骨的工作基礎上(Nano Lett. 2013, 13, 2634),率先報道了一種3D打印制備的具有功能嗅覺的電子雜化鼻仿生器官。本文作者使用3D打印技術,選擇包含軟/硬單元且組分可調的打印墨水,制備了機械性能可調且和鼻軟骨機械性能相似構架。該軟骨構架能夠使軟骨細胞緊密貼附和快速增長。同時,將嗅覺敏感器件植入打印的鼻軟骨體系中,獲得雜化仿生鼻器官,成功實現了對不同化學物質和氣味的靈敏識別,該工作以標題“A 3D-PrintedHybrid Nasal Cartilage with Functional Electronic Olfaction”發表在國際著名期刊Advanced Science上,第一作者是哈佛大學的Yasamin A. Jodat,通訊作者是哈佛大學Su Ryon Shin教授和Stevens Institute of Technology的Manu S.Mannoor教授。該工作的亮點是巧妙選擇打印墨水,精準整合3D打印技術和電子敏感器件于一體,顯著提高3D打印器官的生物相容性、而且力學性能和感知性能等諸多指標和人體器官的性能接近,本文研究的技術有望成為下一代的器官移植的選項。

作者通過使用PEGDMA和GelMA作為雙組份(軟和硬)墨水,使制備的軟骨仿生材料既具備使細胞貼附的性能,又具有鼻組織維持形狀和機械性能的強度。通過研究不同墨水組分和制備3D打印條件(打印速度、UV固化時間)等與制備的仿生材料在不同溫度下的力學特性(儲能模量、非牛頓剪切指數、粘度)、軟硬組分的直徑、材料的力學性能、降解速度、三維孔徑分布和穩定性等特征的關系,可以篩選出適宜的鼻軟骨墨水組成和3D打印條件(圖1和2)。這些材料、性能、制備工藝之間的關系,不僅為本課題的鼻軟骨研究提供基本數據,也可以為后續其他3D打印人體器官提供借鑒意義。

圖1. 軟和硬兩種打印墨水的流變學性質a) 儲能模量(G')和損耗模量(G”)與溫度的相關性(N = 3). b) 儲能模量(G')和損耗模量(G”)與頻率的相關性(N = 3). c) 粘度與剪切應力的關系-剪切變稀行為(N = 3). d) 在不同打印速度下的墨水打印出來的纖維的熒光成像研究(由于軟膜水粘度小,其打印纖維直徑大)。 e) (d)圖中打印出的纖維的直徑統計.在低粘度情況下,硬墨水纖維直徑200-480微米,軟墨水直徑550-1200微米(N=4)f) GelMA墨水的可打印性能與凝膠化的條件優化統計結果.

圖2.a) 在37度和紫外光交聯固化后的打印墨水的組成示意圖。點表示紫外固化后的交聯點。硬墨水部分的交聯點多的原因是有高的GelMA 濃度。在37度的培養液中,明膠溶解,留下具有多空結構的打印材料。b) 軟墨水(紅色)和硬墨水(綠色)在比例1:1和固化光功率150 mW cm−2 的條件下得到的立方打印材料。c) 軟墨水(紅色)和硬墨水(綠色)在不同比例條件下得到的打印材料的測試結果. d,e) (c)圖中不同墨水組成條件下的應力-應變曲線. f) 楊氏模量結果 (N = 4). g) 非打印條件下軟膜水和硬墨水得到的凝膠的楊氏模量結果. h) 凝膠樣品在17天培養后的重量損失結果。UV固化條件被用來減低降解速度. i) 100 mW cm−2條件打印出的凝膠樣品在17天培養前后的照片.j) 軟(i,ii)凝膠和硬凝膠(iii,iv)的掃描電鏡圖.紅線表示打印纖維的邊界。

通過選擇3D打印的材料的軟硬雙組份,在維持打印鼻軟骨材料骨架的力學強度的情況下,盡量增大軟組分含量,促使軟骨細胞緊密貼附和快速增長(圖3),這也是提高打印材料能夠實現好的生物相容性與替代人體器官的可能性。

圖3.體外細胞裝載的墨水表征結果a) 細胞在打印體里面的生長示意圖。b,c)在第10天和第30天分別對細胞用F‐actin/DAPI免疫染色,取得的激光共聚焦顯微結果. d) 細胞在打印體里面的存活率,其結果開始稍微降低,但是第7天,細胞恢復了 (N = 3). e,f) z軸方向的3D重建顯影結果. 掃描厚度是890微米。忖度圖像里面的標尺是 200微米. g) PrestoBlue 評價結果分析細胞生理活性。細胞分別裝載和種到打印件中,并在體外培養10天(N = 4, *p < 0.05, **p <0.01). h,i) 在培養20天后,COLII 染色和共聚焦顯微鏡成像軟膜水的邊緣(h)和里面部分的細胞。 j) 從打印邊緣到內部的細胞產生膠原蛋白的量化結果。從邊緣到內部,膠原蛋白產生量逐漸降低。邊緣用熒光成像測定,同時DAPI用來表征膠原蛋白產出量。

在以上研究的基礎上獲取高效生物相容的3D打印配方后,本文作者將敏感電子器件植入3D軟骨仿生材料中,獲得的雜化材料借助基體材料的良好生物相容性,其也能夠使軟骨細胞迅速貼附增長。這個結果說明了本研究中的3D打印材料與電子器件復合的方法,可以實現雜化器官高度生物相容性(圖4)。

圖4.3D打印材料和電子敏感器件的整合。a) 在傳感器電極上面打印軟硬墨水組成的鼻子仿體。b,c) CAD 3D 示意圖雙組份墨水組成的鼻子仿體(上)和實際打印出的鼻子仿體照片(下)。 d) 微加工制造的含有三個電極的Au生物傳感器(上)和3D打印雙墨水組成的鼻子仿體(每個鼻孔有一個傳感器電極)(下). e,f)對生長在Au傳感器電極上的鼻軟骨細胞d 活/死細胞染色來測試Au(e)和Ag (f)傳感器電極的生物相容性。, g) 培養1天的細胞在Au(e)和Ag (f)傳感器電極上的生物相容性的統計數據。h) 培養7天的細胞F‐actin/DAPI 染色結果

最后,本文作者使用炸藥TNT作為檢測物質的代表,來檢驗3D鼻軟骨仿生器官體系內的電子器件的功能特性。令人興奮的是,制備的3D仿生器官表現出了靈敏檢測的特性(圖5),實現了高達0.38 pg mL&#8722;1 的檢測限和 8.6 (log(ng mL&#8722;1))&#8722;1的靈敏度,本文的結果遠高于前人報道的結果。

圖5. 生物傳感機理和過程. a)對傳感器進行TNT-特異性多肽修飾的示意圖. b,c) 尼奎斯特圖曲線用來測試在亞鐵氰化物體系中不同TNT濃度下的反應結果。一旦多肽撲捉到TNT,在亞鐵氰化物體系測試中的電極阻抗增加。d) 在0.1–1000 pg mL&#8722;1 的TNT濃度范圍內和亞鐵氰化物體系測試條件的波特圖曲線. e) 亞鐵氰化物體系中的TNT傳感校正曲線. f) 細胞培養液中,對10 pg mL&#8722;1 的 TNT條件下的尼奎斯特圖曲線。g) 在0.1–1000 pg mL&#8722;1 的TNT濃度范圍內和細胞培養液中的波特圖曲線. h) 細胞培養液中的TNT傳感校正曲線. i) 在37度條件下,連續8天的TNT特異多肽的降解結果.



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