《Adv. Healthcare Mater.》：基于气溶胶喷射打印技术的多功能可定制化生物电子器件与软体组织工程应用

引言

随着生命科学和电子工程的交叉融合，生物电子技术逐渐成为推动医学、科研和产业革新的关键力量。尤其是在组织工程和器官模拟方面，如何实现高效、灵活、可定制的电极界面，成为当前科研的热点之一。

传统的微电子制造技术虽然成熟，但在制作复杂形状、多层结构、柔性可变的电极系统方面仍面临诸多限制。为此，科研界不断探索新的制造方式，将3D生物打印、微纳制造技术融合，实现“以生物为本”的电子接口创新。

正文

背景

组织工程的发展离不开高性能的生物电子接口。多电极阵列（MEA）作为神经和心肌等组织的电信号记录与刺激的核心设备，需求不断向高柔性、薄型、可定制化、精准化方向发展。

但传统微加工方法如光刻、化学蚀刻等，存在设备昂贵、流程繁琐、缺乏灵活性、难以满足复杂3D结构需求等弊端。这限制了其在生物体内或复杂组织模拟中的应用。

因此，科研人员提出使用气溶胶喷射打印（AJP：Aerosol Jet Printing）技术，结合3D生物打印，重塑MEAs的制造方式，实现快速、便捷、个性化定制，且兼容多种材料和复杂结构。

AJP技术的优势与突破

01高灵活性与高分辨率：气溶胶喷射打印（AJP）可在非平面、柔性基底上精准沉积微米级图案，支持复杂3D结构打造，超越传统平面微加工的限制。

02材料多样性：支持金属（如金、银）、导电聚合物、纳米材料等，满足高导电性、良好生物相容性等多重性能需求。

03快速、低成本：无需昂贵的微光刻设备和洁净室条件，操作简便，缩短制造周期，降低成本。

04可扩展性和可定制化：实现个性化设计，快速调整阵列布局或形状，满足特定研究或临床需求。

设计与制造流程

科研团队首先利用计算机辅助设计（CAD）软件，设计出符合组织工程需求的多电极阵列（如圆形、曲面等不同形状）。随后，将设计文件转换成喷射路径，通过气溶胶设备将金属墨水精准喷射在柔性薄膜或3D打印支架上。

在工艺上，采用多层次喷射策略，先打印导电轨道，再沉积电极与连接点，最后进行电化学改性，提升导电性和刺激能力。

同时，为确保电极材料的生物兼容性和稳定性，还进行了聚合物包覆与电极电镀处理。整体流程实现无尘环境下的快速造模，支持大规模和个性化生产。

一、实验验证：多功能、多材料、多结构的MEAs

科研团队进行了多项实验，验证AJP制造的MEAs在生物医学中的表现：

• 电性能测试：以电导率、阻抗等指标评估，结果显示，AJP制备的金属电极表现出优异的导电性和低噪声，有效满足神经和心肌信号采集需求。

• 生物相容性：采用胶原蛋白（GelMA）包覆电极，培养肌肉细胞和神经元，细胞在电极上生长良好，保持高存活率，无明显毒副作用。

• 功能验证：利用电刺激促进肌肉细胞的定向生长，影响其结构和功能。此外，成功记录神经和心肌细胞的电信号，验证电极的记录能力。

• 复杂结构应用：在3D打印的组织模型上，结合柔性材料和AJP制造的多电极系统，实现对曲面、弯曲结构的电子接口，非常适合未来的 organ-on-chip 或器官模拟。

二、关键技术：柔性、多样化的电极设计

科研团队开发了多样化的电极结构，包括卷曲、弯曲、网格、点阵等，满足不同组织形态的需求。特别在3D生物打印的导管或支架中，AJP电极可以无缝嵌入，形成紧密结合的生物电子界面。

此外，利用电化学沉积技术对电极表面进行改性，提升其电刺激能力，延长工作寿命，确保长期稳定性。

三、实际应用：从细胞到组织，从基础研究到临床转化

此技术的核心价值在于其广泛的应用潜力：

• 神经科学研究：实现高密度、多点、多层次的神经电信号采集与刺激，为脑机接口、神经网络模拟提供技术支撑。

• 心血管组织工程：建立心肌、血管等组织模型，实现电刺激促进细胞连接和功能同步，为心脏疾病研究和药物筛查提供平台。

• 肌肉和骨骼系统：打造肌肉、电刺激导管等器官模拟模型，推动肌肉再生和康复科技发展。

• 疾病模型和药物筛查：高效制造个性化、复杂的组织模型，有助于疾病机制研究和新药开发。

图文导读

图1.A)用于电化学刺激和传感的微电极阵列平台示意图。B)气溶胶喷射打印过程示意图和拟议MEA的制作步骤。C)显示MEA组件的分解视图。D)使用AJP打印的MEA进行各种应用的概念验证演示，例如平面体外MEA实验，DLP打印组织模型的柔性MEA设计，电刺激和电化学传感

图2.A)微电极阵列（MEA）及其刺激电极的设计和尺寸示意图。B-D)光学显微镜图像显示了MEA和刺激电极的打印质量。E-F)显示刺激电极和微电极表面形貌的扫描电子显微镜（SEM）图像。

图3.AJP打印金MEAs的电化学表征。A)感应电极、刺激电极和PEDOT/ pss涂层刺激电极的波德幅度图。B)不同电极的波德相图。（传感电极，n = 21；刺激电极，n = 18； PEDOT/ pss涂层刺激电极，n = 4）。C)纯金电极样品间和样品内相对标准偏差的比较。样品间（1个MEA上的传感电极，n = 25），样品内（4个MEA上的传感电极，n = 100）。D、E) 1 kHz和1 Hz时阻抗幅值的比较。（传感电极，n = 21；刺激电极，n = 18； PEDOT/ pss涂层刺激电极，n = 4）。F)标准细胞培养条件下第0天和第14天1 kHz阻抗大小的比较（n = 23）。G) GelMA， PDL，明胶和纤维连接蛋白涂层前后1 kHz阻抗电极的百分比增加（n = 4）。H)与PEDOT/ pss涂层刺激电极相比，金刺激电极CICmax的代表性电压迹。施加在普通金和PEDOT/ pss电极上的电流分别为575和2575 μA。I)刺激金电极与PEDOT/PSS涂层电极的CICmax比较（n = 4）。J) PEDOT/ pss涂层刺激电极在50 Hz双相脉冲下的稳定性（n = 3）。误差条表示标准差。（ns, p > 0.05, *** p < 0.001, **** p < 0.0001）。

图4.采用10%包封的生物打印C2C12细胞的活/死细胞活力测定，评价AJP打印金MEA的细胞相容性GelMA (w / v)。A)使用10倍物镜（比例尺100 μm）拍摄的代表性图像。B)显示活细胞平均百分比的条形图，三个样本培养7天，每个样本获得7张图像。误差条表示标准差。(ns =不显著，p> 0.05)。

图5.电刺激诱导C2C12细胞定向。A)染色肌动蛋白电刺激C2C12细胞在MEA上的代表性荧光图像。电刺激方向用红色双向箭头表示。白色虚线表示电极的位置。B)刺激组图像分析检测到的取向角分布极坐标图（n = 3,30个样本图像）。C)未刺激C2C12细胞在MEA上染色肌动蛋白的代表性荧光图像。白色虚线表示电极的位置。D)对照组图像分析检测到的取向角分布极坐标图（n = 3,30张样本图像）。

图6.AJP打印的MEA的胞外记录。A)初级皮层神经元的滤波电记录。B)从初级皮层神经元检测到的重叠峰波形。C) AJP打印MEA在DLP打印脑模型上的表示。D)从(B)中检测到的平均波形和标准差（阴影区域）。E)培养HL-1心房心肌细胞滤过的电记录。F)从HL-1细胞中检测到的重叠峰波形。G) AJP打印MEA在DLP打印心脏模型上的表示。H)从(F)中检测到的平均波形和标准差（阴影区域）。

图7.生物3D打印导管的电刺激。A)对照组和B)电刺激组激活的（绿色）C2C12细胞在导管孔内生长的荧光共聚焦图像（2.5倍放大）。插图显示10倍放大视图。细胞核反染蓝色DAPI。红色箭头表示电刺激的方向。比例尺= 200 μm （n = 1）。C)正形MEA的数码照片，中间有印刷的水凝胶。D)共形MEA电极系统内水凝胶的3D渲染图。该图描绘了增产方向(比例尺= 1厘米）。

结语

气溶胶喷射打印（AJP）结合3D生物制造的创新方案，为未来的组织工程和器官模拟提供了全新的技术路径。它突破了传统微加工的局限，实现高速、灵活、定制、多功能的电子界面，为神经、心脏、肌肉等多种组织的研究和应用奠定了坚实基础。

在这篇论文中，研究团队成功利用AJP技术打印了多种关键材料，包括金属导电材料（如金纳米粒子（AuNPs））和导电聚合物（如PEDOT:PSS）以制备柔性、多功能的多电极阵列，还使用光敏绝缘墨水进行了绝缘层的打印，形成完整的多层电极结构（T3, T4, T6）。此外，研究还打印了生物兼容的导电材料，实现了与细胞的良好相容性，并成功结合3D生物打印的支架和导管，用于细胞培养和电刺激实验，展示了电子界面与生物组织的高效结合。

未来，随着技术的不断完善和跨界融合，3D生物电子制造将成为推动生命科学发展、改善人类健康的重要力量。我们期待看到，更多基于AJP的智能医用设备，以及为个性化精准医疗带来的变革，诸如定制化的神经接口、心脏修复装置，以及肌肉再生支架等。这些创新应用将依托AJP材料的多样性和制造的灵活性，为未来精准、可持续的生命医学技术开辟广阔前景。

原文链接：www.advhealthmat.de

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