布萊頓大學(xué)：3D 打印預(yù)改性普魯士藍(lán)細(xì)絲，制造葡萄糖監(jiān)測生物傳感器

2025年3月27日，南極熊獲悉，來自布萊頓大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種 3D 打印葡萄糖生物傳感器，可以監(jiān)測 HepG2 細(xì)胞中的葡萄糖消耗。

相關(guān)研究以題為“Prussian Blue Embedded CarbonThermoplastic Electrodes Crafted by Pre-Modification of 3D Printable Filaments”的論文發(fā)表在《ACS Publications》期刊上。 這項研究由 Chloe Miller 和臨床與生物分析化學(xué)教授 Bhavik Anil Patel 共同領(lǐng)導(dǎo)，聚焦于前期階段活性材料的改性沉積上。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acselectrochem.4c00093

研究人員采用了一種新方法：在 3D 打印之前將普魯士藍(lán)直接嵌入炭黑/聚乳酸 (CB/PLA) 細(xì)絲中。利用FlashForge Creator Pro 3D 打印機，該方法為化學(xué)改性電極的常見問題提供了一種潛在的解決方法，尤其是在穩(wěn)定性和可重復(fù)性方面。

電化學(xué)傳感器很大程度上依賴于發(fā)生反應(yīng)的電極表面。因此，表面改性（例如提高導(dǎo)電性或增強選擇性）通常必不可少。通常，這涉及在電極打印后沉積納米顆粒或酶等材料。但這些打印后步驟通常很復(fù)雜、耗時，而且容易長期降解。

△示意圖顯示了使用 PB 對 CB/PLA 電極進(jìn)行預(yù)改性和后改性的過程。圖片來自布萊頓大學(xué)。

直接電沉積改善了材料控制和可打印性

據(jù)研究團隊稱，熔融絲制造 (FFF) 已成為傳感器制造的首選 3D 打印技術(shù)，因為它價格實惠、可定制且易于使用。不過，它有一個問題：現(xiàn)成的導(dǎo)電材料有限，這使得許多研究人員只能求助于內(nèi)部修改。例如，之前的一些嘗試涉及將 Ni(OH)₂O₂O₂O₂ 檢測中表現(xiàn)最佳，這可能是因為邊緣處嵌入的普魯士藍(lán)暴露得更好。考慮到這一點，他們使用方格設(shè)計來構(gòu)建葡萄糖生物傳感器。在用葡萄糖氧化酶、牛血清白蛋白和戊二醛改性表面后，他們將傳感器插入 3D 打印孔板中。

然后，他們測試了它在細(xì)胞培養(yǎng)裝置中追蹤葡萄糖水平的能力。當(dāng)傳感器被放入含有 HepG2細(xì)胞的培養(yǎng)基中 24 小時后，它成功測量出與對照樣本相比葡萄糖濃度的下降，證明它可以在體外監(jiān)測細(xì)胞代謝。

據(jù)研究人員介紹，這項研究展示了一種通過將普魯士藍(lán)直接嵌入 3D 打印細(xì)絲來制造葡萄糖生物傳感器的新方法。通過成功監(jiān)測細(xì)胞培養(yǎng)中的葡萄糖消耗，研究展示了這種方法在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中可靠、實時生化傳感的潛力。

△平面、圓頂和方格 CB/PLA 電極的光學(xué)顯微鏡圖像。圖片來自布萊頓大學(xué)。

3D打印生物傳感器的新發(fā)展

除了布萊頓之外，之前的研究還探索了推進(jìn) 3D 打印生物傳感器發(fā)展的新方法。

2018 年 12 月，華盛頓州立大學(xué)(WSU) 的研究人員利用 3D 打印技術(shù)為糖尿病患者打造了一款無針血糖監(jiān)測設(shè)備。設(shè)備采用直接墨水書寫(DIW) 技術(shù)制造，拇指大小的生物傳感器由分層碳和酶墨水制成，其中碳墨水用作電極，酶層吸收葡萄糖。這種設(shè)備貼在皮膚上，可測量汗液中的葡萄糖，是一種侵入性較小的指尖刺破替代品。與絲網(wǎng)印刷版本相比，設(shè)備具有更高的靈敏度、材料效率和長期穩(wěn)定性，凸顯了 DIW 在經(jīng)濟實惠的個性化生物傳感器方面的潛力。

另外，成均館大學(xué)的研究人員使用市售的噴墨打印頭開發(fā)了用于健康監(jiān)測的個性化可穿戴生物傳感器。研究團隊利用填充有柔性硅彈性體的 3D 打印糖支架，制造出輕質(zhì)、導(dǎo)電且符合患者體形的傳感器。這些設(shè)備在睡眠和跑步機測試期間以高靈敏度捕捉主動應(yīng)變和被動信號，如 EMG、EDA 和 EEG，引領(lǐng)團隊追求更廣泛的個性化診斷應(yīng)用。