青島理工大學在3D打印柔性電極陣列及高性能細胞內電生理記錄方面取得重要科研進展

來源：青島理工大學

近日，青島理工大學與浙江大學、北京航空航天大學科研團隊合作，在3D打印柔性電極陣列及細胞內電生理記錄技術方面取得重要進展，相關成果以"3D-Printed Flexible Nanosilver Electrode Array for Parallel and Robust Intracellular Electrophysiological Recording"為題，發(fā)表在納米科學與技術領域國際權威期刊ACS Nano上（原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.5c01372），機械與汽車工程學院朱曉陽教授為第一通訊作者。

傳統(tǒng)納米電極陣列因制備工藝復雜、成本高昂，并在柔韌性和信號穩(wěn)定性方面存在局限，難以滿足心臟電生理學研究對高保真、高通量細胞內動作電位記錄的需求。現(xiàn)有器件與細胞界面耦合效率低，且長期使用易引發(fā)細胞損傷，制約了其在藥物篩選和疾病機制研究中的應用。針對這一挑戰(zhàn)，研究團隊創(chuàng)新性提出基于多材料電場驅動微噴射3D打印技術的柔性納米銀電極陣列（FlexNEA）器件，為心臟電生理記錄提供了突破性解決方案。

研究團隊開發(fā)的FlexNEA器件通過高精度3D打印工藝實現(xiàn)電極結構定制化設計，結合納米銀材料的優(yōu)異導電性和柔性基底的低機械應力特性，顯著提升了細胞-電極界面耦合效率。實驗表明，F(xiàn)lexNEA通過生物安全電穿孔技術可實現(xiàn)99%以上的細胞內訪問成功率，其柔性特性使電極緊密貼合心肌細胞膜動態(tài)形變，獲得較傳統(tǒng)平面電極提升近3倍的動作電位幅值（圖1）。在連續(xù)5天的長期測試中，F(xiàn)lexNEA穩(wěn)定記錄到高信噪比（>20 dB）的胞內信號，且經高頻短時電穿孔操作后仍保持優(yōu)異性能。研究進一步驗證了該器件在藥物評估中的應用潛力，成功捕捉到離子通道阻斷藥物處理后動作電位持續(xù)時間（APD50）、去極化速率等參數(shù)的細微變化，為精準藥效評估提供了新工具。

用于細胞內動作電位記錄的3D打印柔性納米銀電極陣列器件研制與表征

基于3D打印FlexNEA器件的電生理傳感-調控系統(tǒng)及心肌胞內動作電位記錄

本研究得到了國家自然科學基金面上項目、山東省泰山學者青年專家等項目的資助。ACS Nano是美國化學會（ACS）旗下頂級期刊，位列自然指數(shù)（Nature Index）收錄期刊，中國科學院期刊分區(qū)1區(qū)，最新影響因子為15.8。

此項研究突破了傳統(tǒng)微電極陣列的制造瓶頸，為心臟病學、神經科學及藥物開發(fā)領域提供了低成本、高靈敏的生物電傳感平臺。FlexNEA的模塊化設計和大規(guī)模并行記錄能力，未來可拓展至類器官、腦機接口等前沿領域，推動個性化醫(yī)療與精準藥理學研究發(fā)展。


團隊簡介

朱曉陽教授研究小組在團隊帶頭人蘭紅波教授的帶領下主要從事電子增材制造工藝及應用方面的研究工作。目前主持國家自然科學基金面上項目、中央軍委裝備發(fā)展部重大成果轉化項目、泰山學者專項項目、山東省青創(chuàng)團隊項目等國家級及省部級項目10項。以第一及通訊作者在Progress in Materials Science、Advanced Materials、Nature Communications、ACS Nano、Advanced Science、Small、International Journal of Extreme Manufacturing、Additive Manufacturing、機械工程學報、中國科學等國內外權威期刊公開發(fā)表SCI/EI論文66篇，包括ESI熱點/高被引/亮點論文/封面論文18篇/次，入選Small年度最佳論文1篇（4/1839），影響因子大于10以上的20篇。授權發(fā)明專利20項，在美國，新加坡等重要國際會議作邀請報告17次。相關成果獲得國際日內瓦發(fā)明展金獎（排2）、青島市自然科學獎二等獎（排1）、青島市青年科技獎（排1）、中國發(fā)明協(xié)會發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎創(chuàng)新獎二等獎（排1）、及山東省高等學校優(yōu)秀科研成果獎二等獎（排1）等獎勵。中科院一區(qū)期刊International JournalofExtreme Manufacturing、Research以及Soft Science等期刊青年編委，參與制定國家標準3項，兼任全國增材制造標準化委員會工藝分會委員，中國機械工程技術路線圖編寫委員會委員，復合材料學會增材制造專委會委員。主講課程入選山東省普通高等教育課程思政示范課程1門、山東省優(yōu)質研究生專業(yè)學位教學案例庫1項、以及獲批“大國智造”教育部學位中心主題案例項目1項。指導學生獲得第十八屆“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術作品全國特等獎及十四屆“挑戰(zhàn)杯”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃競賽全國金獎；指導本科生獲得國家級科創(chuàng)大賽一等獎及二等獎各1項，省部級科創(chuàng)大賽獎勵14項（包括一等獎4項），指導12名研究生獲得山東省優(yōu)秀碩士學位論文/國家獎學金，指導研究生獲得山東省優(yōu)秀科研成果獎一等獎2項，山東省研究生優(yōu)秀成果3項。