Forskere ved University of Houston har utviklet en ny metode for 3D-printing av biosensorer som en dag kan implanteres i en menneskelig vert.
Ved å bruke multifotonlitografi (MPL), involverer teamets metode polymerisering av harpikser lastet med organiske halvledermaterialer lag for lag for å danne bittesmå biokompatible kretskort. Så langt har forskerne brukt prosessen sin til å lage glukosesensorer med høy presisjon, men med videre forskning og utvikling tror de det kan bane vei for produksjon av en ny generasjon bioelektroniske enheter.
"Her ble en ensartet og gjennomsiktig lysfølsom harpiks dopet med organiske halvledermaterialer (OS) introdusert for å fremstille forskjellige 3D OS-komposittmikrostrukturer (OSCM)," sa teamet i deres artikkel. "[Våre] resultater viser det store potensialet til disse enhetene for et bredt spekter av bruksområder, fra fleksibel bioelektronikk til nanoelektronikk og organ-på-en-brikke enheter."
Gjør ledende implantater levende
I papiret deres identifiserte forskerne MPL som den "state-of-the-art" teknologien innen direkte laserskriving (DLW) 3D-utskrift på grunn av allsidigheten til materialet og den høye presisjonen det kan oppnå (oppløsning ned til 15 nanometer) . ). Som sådan ser Houston-teamet på teknologien som ideell for å produsere den typen nanoelektroniske enheter som har vært gjenstand for intensiv forskning de siste årene.
Imidlertid fortsetter levedyktigheten til 3D-utskrift av slike bioimplantater å være begrenset av den lave elektriske ledningsevnen til materialene som brukes til å produsere dem. Ifølge forskerne er dette fordi prototype bioelektronikk vanligvis er laget av karbon-nanorør eller grafen, så de har uorganiske egenskaper som er "vanskelige å spre jevnt i harpikser" og "uten betydelig faseseparasjon."
For å overvinne disse manglene har Houston-forskerne derfor utviklet sin egen MPL-harpiks, bestående av DMSO-lastet PEGA-polymer, PEDOT: PSS organisk halvleder, laminin og glukoseoksidase, som kan 3D-printes nøyaktig til mini-biomer Board med ensartede egenskaper.
3D-trykt cytokompatibel PCB
Opprinnelig brukte forskerne materialet sitt til å produsere en rekke mikroelektroniske enheter, inkludert printede kretskort (PCB), som inneholdt en rekke mikrokondensatorer. Når de demonstrerte effektiviteten til teknikken deres, satte teamet ut for å eksperimentere med laminin, et glykoprotein som finnes i membranene til forskjellige dyrevev som fremmer cellefesting, signalering og migrasjon.
Etter å ha lastet harpiksen med proteinet, fortsatte teamet med å 3D-printe det til mer komplekse mikrostrukturer, som deretter ble dyrket i musevev i 48 timer. Sammenlignet med ikke-medisinerte prøver, bemerket forskerne at cellene deres viste bevis på "forbedret overlevelse", samtidig som de beholdt evnen til å fremme tilknytning og spredning.
Etter å ha bestemt biokompatibiliteten til implantatene, forsøkte forskerne å evaluere de elektrokjemiske egenskapene til disse enhetene. Testing ved en biologisk relevant frekvens på 1 kHz viste at ettersom diameteren til mikroelektroden økte, sank den elektriske impedansen til teamets PCB ved alle frekvenser (1 til 105 Hz), med resultater "konsistent med tidligere rapporterte resultater"
Til slutt, for å demonstrere den potensielle anvendelsen av metoden deres, brukte forskerne den til å produsere en ny type biosensor som er i stand til å oppdage glukosenivåer med høy stabilitet og presisjon ved bruk av elektrisk strøm. Gitt at enheten er ti ganger mer følsom enn nåværende skjermer, sier teamet at deres harpiks nå kan bidra til å akselerere menneskelig fremgang mot kybernetiske implantater.
"Vi forventer at de demonstrerte MPL-kompatible OS-komposittharpiksene vil produsere myke, bioaktive og ledende mikrostrukturer for en rekke bruksområder i nye felt som fleksibel bioelektronikk/biosensorer, nanoelektronikk, organ-på-en-brikke og immuncelleterapi Ban vei.» konkluderte forskerne i sin artikkel.
