隨著生物學(xué)與技術(shù)的界限日漸模糊，研究人員對生物電子學(xué)的興趣愈加濃厚。

生物電子學(xué)是將電子系統(tǒng)與生物系統(tǒng)相結(jié)合的一門科學(xué)，旨在設(shè)計出能夠監(jiān)測或與人體自然過程相互作用的設(shè)備。日常生活中常見的生物電子學(xué)應(yīng)用之一是健身追蹤器。比如，可穿戴的健身追蹤器可以實時監(jiān)測心率、血氧水平和睡眠模式等健康數(shù)據(jù)。

雖然健身追蹤器是生物電子學(xué)最常見的例子之一，但還有其他常見的生物電子學(xué)設(shè)備，如實時血糖監(jiān)測器等可穿戴健康設(shè)備，以及起搏器等植入式設(shè)備，它們在現(xiàn)代生活中同樣廣泛應(yīng)用。
 

生物打印和生物電子學(xué)

采用柔性和生物相容性材料能夠顯著拓寬生物電子學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域，而這正是3D生物打印發(fā)揮作用的地方。

多材料生物打印是生物電子學(xué)中的一項重要工具，它使得生物材料與電子導(dǎo)電元件的集成成為可能。這種打印技術(shù)能夠精確地放置組織和功能材料，提供對組織設(shè)計和成分的卓越控制。

生物打印通過使用生物相容性材料和細(xì)胞打印技術(shù)，使得植入式生物電子設(shè)備的個性化成為可能，從而降低了免疫排斥的風(fēng)險。

除了能夠根據(jù)需求定制組織，生物打印機(jī)還被設(shè)計為使用軟材料進(jìn)行打印，從而實現(xiàn)柔性結(jié)構(gòu)的制造。這使得3D生物打印成為無細(xì)胞但生物相容的軟電子結(jié)構(gòu)3D打印的理想工具。

研究人員如何融合
3D生物打印與生物電子學(xué)

為了深入了解研究人員如何利用CELLINK的生物打印機(jī)來提升和優(yōu)化生物電子應(yīng)用，我們采訪了Miriam Filippi博士。

Miriam Filippi博士是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETHZ）軟機(jī)器人實驗室（SRL，領(lǐng)導(dǎo)者為Robert Katzschmann教授）的一名高級科學(xué)家。她的團(tuán)隊最近與瑞士洛桑的EPFL合作，在《高級醫(yī)療保健材料》期刊上發(fā)表了一項相關(guān)研究。

Filippi博士強(qiáng)調(diào)了在生物電子學(xué)領(lǐng)域取得成功所需的多學(xué)科技能，他表示：“我們團(tuán)隊的專業(yè)知識就像拼圖一樣，涵蓋了實現(xiàn)生物工程所需的所有相關(guān)方面。”

她接著說：“我們團(tuán)隊堅定不移地致力于提出組織工程和機(jī)器人技術(shù)的新視角。我們對生物電子創(chuàng)新充滿熱情，并在追求先進(jìn)組織模型的過程中展現(xiàn)出創(chuàng)造力。”

-團(tuán)隊介紹-
參與ETHZ SRL軟水凝膠團(tuán)隊的成員包括：
Miriam Filippi博士是SRL生物混合機(jī)器人領(lǐng)域的高級研究員和首席研究員，專注于生物制造、功能材料和組織開發(fā)方面的專業(yè)知識。

Antonia Georgopoulou博士是瑞士洛桑EPFL軟材料實驗室的博士后研究員，專注于傳感器、機(jī)器人技術(shù)和材料科學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)知識。

Asia Badolato是SRL的博士生，專注于組織生物力學(xué)和3D生物打印領(lǐng)域的專業(yè)知識。

Diana Mock是SRL的碩士生，專注于多材料3D生物打印和組織工程領(lǐng)域的專業(yè)知識。
 

ETHZ軟機(jī)器人實驗室的傳感器水凝膠團(tuán)隊
從左到右：
Diana Mock, Asia Badolato, Dr. Miriam Filippi, and Dr. Antonia Georgopoulou.

研究

在這項名為“利用壓阻水凝膠有機(jī)電子學(xué)進(jìn)行穩(wěn)定仿生界面的生物打印”的研究中，團(tuán)隊致力于開發(fā)一種具有良好組織整合能力的材料，并著重于構(gòu)建能夠捕捉對生物力學(xué)線索做出反應(yīng)的機(jī)制。

這一目標(biāo)是通過一種“傳感器水凝膠”實現(xiàn)的，該水凝膠能夠集成到他們的生物打印結(jié)構(gòu)中。

本研究結(jié)合了合成水凝膠聚乙烯醇（PVA）、天然水凝膠海藻酸鈉（SA）和結(jié)冷膠（GG），以及導(dǎo)電填料，開發(fā)了這種傳感器水凝膠。在研究中，團(tuán)隊測試了兩種不同的導(dǎo)電填料：聚合物聚吡咯（PPy）和炭黑（CB）。

兩種復(fù)合材料在表征時展現(xiàn)出相似的傳感器特性，然而，CB復(fù)合材料存在不理想的團(tuán)聚傾向，而PPy復(fù)合材料則不存在這一問題。因此，研究小組選擇聚吡咯復(fù)合材料作為具有3D制造嵌入式組織傳感器潛力的材料。

圖1。傳感器水凝膠由富含導(dǎo)電填料的雙網(wǎng)絡(luò)聚合物組合而成。

研究小組使用CELLINK的BIO X6（一款基于擠出技術(shù)的3D生物打印機(jī)）完成了3D生物打印構(gòu)建。

傳感器水凝膠與接種細(xì)胞的肌肉組織生物墨水一起，通過CELLINK的BIO X6 3D生物打印機(jī)完成打印。隨后，打印的肌肉組織與集成傳感器一同培養(yǎng)，以促進(jìn)組織成熟。在培養(yǎng)結(jié)束后，研究小組對組織模型的傳感器性能進(jìn)行了測試。

圖2：將水凝膠基應(yīng)變傳感器與生物墨水共同打印，構(gòu)建出傳感組織模型。通過拉伸結(jié)構(gòu)，傳感器水凝膠的電阻率呈現(xiàn)出隨施加變形線性變化的特性。

-復(fù)雜材料組合的挑戰(zhàn)-
我們邀請Miriam Filippi博士分享更多關(guān)于使用多種具有不同特性、優(yōu)勢和局限性的材料所面臨的挑戰(zhàn)。除了傳感器水凝膠的復(fù)雜組成外，研究人員還需要一種能夠支持組織生長的生物墨水。為此，他們開發(fā)了一種由天然衍生材料Matrigel和膠原蛋白組成的復(fù)合生物墨水。

“在我們的日常工作中，主要的挑戰(zhàn)在于應(yīng)對復(fù)雜材料組合所需的多種操作要求。例如，Matrigel和膠原蛋白在不同溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出各自獨特的溫度敏感交聯(lián)行為，而其他組分則需要化學(xué)交聯(lián)來實現(xiàn)穩(wěn)定性。除此之外，還需要投入大量精力來優(yōu)化這些材料的打印性能。”

Filippi博士進(jìn)一步解釋道，混合物的復(fù)雜性使得在批次之間和長時間內(nèi)保持生物墨水的反應(yīng)一致性成為一大挑戰(zhàn)，直到他們最終找到合適的解決方案。

為何需要復(fù)雜材料
SRL團(tuán)隊選擇復(fù)雜墨水配方的原因在于需要同時控制多個參數(shù)，包括穩(wěn)定性和粘度、雙水凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成、與導(dǎo)電成分的結(jié)合，以及滿足組織特異性的要求。

傳感器水凝膠經(jīng)過優(yōu)化，以實現(xiàn)高分辨率打印性能和理想的壓阻行為，而組織生物墨水則專為骨骼肌組織設(shè)計優(yōu)化。這些配方旨在生物打印結(jié)構(gòu)中無縫連接和協(xié)同作用。

下一步

Filippi博士相信，打印的組織結(jié)構(gòu)有潛力提供關(guān)于組織內(nèi)部動態(tài)的信息，例如應(yīng)變的測量。

她表示：“盡管我們的傳感器材料能夠可靠地響應(yīng)某些類型的機(jī)械刺激，例如組織整體結(jié)構(gòu)的變形，但傳感器功能的微調(diào)以及其檢測微小變形的能力仍需進(jìn)一步評估。”隨后她繼續(xù)說道：

“例如，我們的功能性水凝膠可以用于在工程化組織中構(gòu)建導(dǎo)電通路，進(jìn)而產(chǎn)生各向異性的電導(dǎo)率。因此，具有電化學(xué)功能的組織，如神經(jīng)和肌肉組織，可以根據(jù)特定的定制模式進(jìn)行設(shè)計與實現(xiàn)，從而創(chuàng)造出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)、可控生長和功能的創(chuàng)新3D細(xì)胞培養(yǎng)模型。”

如何實現(xiàn)組織集成的生物
我們與Filippi博士進(jìn)行了交流，以更深入了解他們是如何實現(xiàn)目標(biāo)的：打印包含傳感水凝膠和負(fù)載肌肉細(xì)胞基質(zhì)的雙相結(jié)構(gòu)。

該團(tuán)隊將從打印到最終構(gòu)建的過程分為10個明確的步驟，且這些步驟可以歸納為三個階段：生物打印前、打印過程和生物打印后。

生物打印前
在這一階段，研究小組準(zhǔn)備了創(chuàng)建結(jié)構(gòu)所需的3D模型和材料。

同時，他們編寫了一個定制的G代碼，指示BIO X6按照特定架構(gòu)和兩種材料的分布來構(gòu)建結(jié)構(gòu)。

首先，他們通過稱量所有成分，并在特定的受控條件下（如攪拌和溫度控制）混合，制備傳感器水凝膠。

與此同時，他們也制備了交聯(lián)溶液。

為了制備負(fù)載細(xì)胞的生物墨水，首先對細(xì)胞進(jìn)行計數(shù)，離心出特定數(shù)量的細(xì)胞，并將其收集成顆粒。然后，將這些細(xì)胞與預(yù)定數(shù)量和一定體積的生物墨水混合，以確保細(xì)胞與生物墨水的比例一致。

生物打印過程
在此階段，將材料裝入各自的墨盒，設(shè)置并保存打印參數(shù)后，便開始進(jìn)行打印。

1. 將載有細(xì)胞的生物墨水和傳感器水凝膠無菌地裝入不同的墨盒，并通過22G錐形噴嘴進(jìn)行擠出。
2. 在打印之前，先對噴嘴進(jìn)行校準(zhǔn)，以確定其各自的XYZ偏移，精度達(dá)到至少0.1毫米。
3. 該團(tuán)隊在BIO X6上建立了打印流程，通過評估打印精度和形狀保真度，使用在先前優(yōu)化實驗中確定的一組優(yōu)化印刷參數(shù)（包括壓力、速度和溫度）。他們優(yōu)化了印刷過程，以最大限度地提高細(xì)胞接種密度，同時確保所用生物墨水具有良好的機(jī)械性能，從而實現(xiàn)精確的打印效果。
4. 啟動3D生物打印過程并完成構(gòu)建。

圖3。軟生物電子網(wǎng)絡(luò)與活組織共同制造，形成復(fù)雜的組織集成結(jié)構(gòu)。

生物打印后
在這一階段，研究人員根據(jù)成肌細(xì)胞的需求對構(gòu)建體進(jìn)行培養(yǎng)。隨后，他們繼續(xù)對所得組織樣本進(jìn)行測試。

將構(gòu)建體轉(zhuǎn)移到組織培養(yǎng)板上，并置于培養(yǎng)箱中。接著，為負(fù)載細(xì)胞的構(gòu)建體添加生長培養(yǎng)基，持續(xù)培養(yǎng)4天，以促進(jìn)細(xì)胞增殖。在此期間，每天收集并更換一半的培養(yǎng)基。當(dāng)研究小組使用成肌細(xì)胞構(gòu)建肌肉組織時，這些結(jié)構(gòu)在機(jī)械張力的作用下逐漸成熟。

在組織成熟后，將工程化的組織樣本分配到不同的實驗流程中進(jìn)行分析。這些分析包括在共聚焦顯微鏡下進(jìn)行活/死染色以測試細(xì)胞存活率、對組織切片進(jìn)行細(xì)胞表達(dá)染色，以及評估組織的機(jī)電性能和流變特性。

結(jié)論
在本博客中，我們探討了3D生物打印與生物電子學(xué)之間的相互作用也深入分析了蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院軟機(jī)器人實驗室Filippi博士團(tuán)隊的一個具體案例，展示了導(dǎo)電傳感器水凝膠如何與3D打印組織直接集成。

3D打印軟電子產(chǎn)品的其他應(yīng)用并不專注于特定的組織。相反，這些應(yīng)用利用3D生物打印機(jī)的獨特能力，精確地構(gòu)建生物相容性導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可以在多種場景中使用。一個相關(guān)的例子可以在由KAIST的Steve Park實驗室撰寫的出版物中找到。

像BIO X6這樣的多材料生物打印機(jī)使研究人員能夠完全控制架構(gòu)的構(gòu)建，無論是使用現(xiàn)成材料還是定制材料。CELLINK致力于幫助來自不同背景的研究人員，盡可能輕松地發(fā)揮生物打印技術(shù)的全部潛力。

您是否對打印軟電子產(chǎn)品或生物傳感器感興趣，或是需要一臺3D生物打印機(jī)？

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