生物打印和生物電子學(xué)

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(shí)驗(yàn)室（SRL，領(lǐng)導(dǎo)者為Robert Katzschmann教授）的一名高級(jí)科學(xué)家。她的團(tuán)隊(duì)最近與瑞士洛桑的EPFL合作，在《高級(jí)醫(yī)療保健材料》期刊上發(fā)表了一項(xiàng)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(duì)的專業(yè)知識(shí)就像拼圖一樣，涵蓋了實(shí)現(xiàn)生物工程所需的所有相關(guān)方面?！?nbsp;

她接著說：“我們團(tuán)隊(duì)堅(jiān)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(duì)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?！?nbsp;

參與ETHZ SRL軟水凝膠團(tuán)隊(duì)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(jí)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(shí)。 

• Antonia Georgopoulou博士是瑞士洛桑EPFL軟材料實(shí)驗(yàn)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(shí)。 

• 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(shí)。 

• 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(shí)。 

ETHZ軟機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的傳感器水凝膠團(tuán)隊(duì)
從左到右： 

Diana Mock, Asia Badolato, Dr. Miriam Filippi, and Dr. Antonia Georgopoulou.

研究

在這項(xiàng)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(duì)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(duì)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(shí)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(duì)測(cè)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(shí)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(duì)組織模型的傳感器性能進(jìn)行了測(cè)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。

我們邀請(qǐng)Miriam Filippi博士分享更多關(guān)于使用多種具有不同特性、優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)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(duì)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(dú)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(shí)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?！?nbsp;

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(zhǎng)時(shí)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(duì)選擇復(fù)雜墨水配方的原因在于需要同時(shí)控制多個(gè)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(shí)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(jì)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。 

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(dòng)態(tài)的信息，例如應(yīng)變的測(cè)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(cè)微小變形的能力仍需進(jìn)一步評(píng)估?！彪S后她繼續(xù)說道： 

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(shí)驗(yàn)室Filippi博士團(tuán)隊(duì)的一個(gè)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(dú)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(chǎng)景中使用。一個(gè)相關(guān)的例子可以在由KAIST的Steve Park實(shí)驗(yàn)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(duì)打印軟電子產(chǎn)品或生物傳感器感興趣，或是需要一臺(tái)3D生物打印機(jī)？ 

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