印刷生物傳感器可實現對生物體細胞到器官各個水平的檢測與傳感，在醫學研究領域具有廣泛的應用前景。直接打印技術（DIW）可在各種生物基材上進行快速原型設計和定制具有幾何復雜性的多功能生物傳感器。這種方法消除了對傳統基于光刻技術通常需要的多個步驟、掩模和專用工具的需求。DIW使用導電聚合物油墨或含有導電納米填充劑的有機硅復合油墨作為打印原料，為此，需要精確控制油墨的流變學性質，以實現（1）高精度印刷適應性，以便在微尺度上進行復雜的渲染；（2）防止高密度分散的納米填料發生聚合以阻礙油墨正常流動。然而，這些油墨由于其粘彈性性質，在周期性大應變下表現出機械和電氣滯后，并且由于難以維持導電納米填料的滲透網絡而導致導電性不可逆的降解。此外，由于界面處的低相互作用能及其固有彈性的差異，粘彈性油墨在大變形下可能會產生生物相容性基材分層的現象。這些油墨的根本局限性阻礙了它們在醫學上的實際應用，特別是在需要對重復負荷進行可靠記錄的條件下，例如心臟跳動。

據麥姆斯咨詢報道，基于以上問題，美國普渡大學西拉法葉分校機械工程學院（School of Mechanical Engineering，Purdue University，West Lafayette）的研究人員制備了一種海綿狀形式的多孔柔性有機硅復合材料，具有優異的流變性能，可實現微量級DIW。進一步研究發現，該復合材料其具有優異的可逆可壓縮彈性，可有效抑制重復加載循環中機械和電氣的滯后。同時，其具有超低的模量（E<30kPa）和優異的柔性，與人類心臟組織（29-41kPa）相當。相關研究成果以“Rapid custom prototyping of soft poroelastic biosensor for simultaneous epicardial recording and imaging”為題發表在期刊Nature Communications上。

具體來看，研究人員首先通過非侵入性超聲成像對心肌進行四維（4D）分割（即心臟周期上的3D幾何體積），捕獲心臟梗死區域的整體大小，幾何形狀和結構（圖1a），然后，在120°C的加壓熱蒸汽條件下，將預聚物油墨的選擇性圖案化痕跡聚合成孔徑為5-50μm的無定形海綿狀形態，并在其中加入Ag片，最后，再加入油墨，填充網格，并用PVA薄膜將器件從Si片上剝離下來，然后使用剪刀修剪以去除多余的區域（圖1b-e）。

圖1 多孔柔性生物傳感器關鍵工藝步驟和光學圖像

DIW使用的油墨的流變特性是控制印刷設備印刷適應性和結構完整性的關鍵參數。為了實現最佳的流變性能，研究人員通過調控原材料之間不同的比例，達到最優的結構效果。圖2a的結果表明，二氧化硅粒子的加入，可增強樹脂的混溶性。研究人員還測試了材料的流變性質，如圖2b-d所示，油墨表現出剪切變稀行為，其中其粘度隨著剪切速率的增加而降低。通過進一步的比例調控和測試，研究人員所制備的材料具有與人類心臟組織（E=29-41kPa）相當的超低有效機械模量（E=29±12kPa），可實現對組織施加最小應力的方式在心外膜表面上輕輕地連接。此外，通過循環測試和滯后測試，該材料表現出良好的穩定性和較小的滯后性。

圖2 多孔柔性生物傳感器材料結構-性能關系

此外，研究人員所制備的多孔柔性生物傳感器可根據不同動物的心臟進行定制打印（圖3a），通過對比可以看出（圖3b），該打印設備具有較寬的打印空間分辨率。此外，在該研究中，雙極性記錄配置不僅用于降低共模噪聲（如電力線干擾），還用于抑制串擾以高保真度記錄心電圖（ECG）信號。

圖3 快速定制打印多孔柔性生物傳感器

進一步地，研究人員評估了定制打印器件在體內健康小鼠（n=5）和豬心臟（n=2）中心外膜心電圖（ECG）的時空記錄中的能力。在應用溫鹽水溶液溶解薄膜后，將器件（50μm厚）通過毛細管粘附力緊密粘附在心外膜表面（圖4a）。圖4b顯示了時空記錄的小鼠（左圖）和豬（右圖）心電信號的后處理3D數據的相應測量結果。應變不敏感的多孔彈性行為（即，在循環負載下可忽略不計的電滯后，應變為<30%）及其在跳動的心外膜表面上的穩態接觸使得心外ECG信號的高保真度采集不會隨時間推移而明顯降低信號質量（圖4c）。

圖4 定制柔性傳感器用于體內心外膜心電圖信號的時空記錄

術中心外膜測繪有助于定位病理生理疾病起源的關鍵區域，例如急性心肌梗死后心律失常，從而為指導手術治療提供重要信息，特別是當需要確定梗死邊界時。為了證明定制打印器件在這種手術環境中的效用，研究人員在體內小鼠急性心肌梗死模型中對心外ECG信號進行了術中時空映射。成年小鼠接受左開胸術以暴露心臟的腹側部分，然后在心外膜表面上放置定制打印的傳感器陣列（共六個雙極記錄通道）以覆蓋心室性心痺（圖5a）。永久固定左冠狀動脈的手術按照先前研究中報告的相同程序進行。心外膜心電圖測量的代表性結果如圖5b所示。圖5c顯示了使用三導聯電極組同時獲得的控制測量結果，顯示了倒易的ST段凹陷以確認缺血事件的發生。上述結果表明，該器件與心外膜表面保持了緊密的耦合，在整個記錄期間（30min超10000次跳動）沒有改變位置。

圖5柔性傳感器用于小鼠心肌梗死模型的術中心外膜標測

由于開放式網格布局和薄膜設計（50μm厚），器件的半透明性使同時超聲成像成為可能，作為實時驗證心肌梗死區域的位置和大小的手段。圖5d為實驗裝置，圖5e顯示了具有代表性的短軸超聲圖像，清楚地可視化了裝置（黃色圓圈）以及心臟的上瞼（藍色圓圈）和心內膜（紅色圓圈）。圖5f顯示了從超聲圖像和連接60秒后時空記錄的ECG信號重建的后處理3D圖像。這些結果證實，隨著器件厚度的減小，成像偽影（例如，記錄電極對的陰影）被最小化。

最后，研究人員對器件的生物相容性，抗生物污染能力和對心臟功能的影響進行了系統的評估。

圖6 柔性傳感器生物相容性、抗生物污染和對心臟功能的影響

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-021-23959-3

審核編輯 ：李倩