布萊頓大學：3D 打印預改性普魯士藍細絲，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 細胞中的葡萄糖消耗。

相關研究以題為“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教授 Bhavik Anil Patel 共同領導，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直接嵌入炭黑/聚乳酸 (CB/PLA) 細絲中。利用FlashForge Creator Pro 3D 打印機，該方法為化學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)定性和可重復性方面。

電化學傳感器很大程度上依賴于發(fā)生反應的電極表面。因此，表面改性（例如提高導電性或增強選擇性）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 電極進行預改性和后改性的過程。圖片來自布萊頓大學。

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，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暴露得更好�？紤]到這一點，他們使用方格設計來構(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，他們測試了它在細胞培養(yǎng)裝置中追蹤葡萄糖水平的能力。當傳感器被放入含有 HepG2細胞的培養(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直接嵌入 3D 打印細絲來制造葡萄糖生物傳感器的新方法。通過成功監(jiān)測細胞培養(yǎng)中的葡萄糖消耗，研究展示了這種方法在生物醫(yī)學應用中可靠、實時生化傳感的潛力。

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

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 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(WSU) 的研究人員利用 3D 打印技術為糖尿病患者打造了一款無針血糖監(jiān)測設備。設備采用直接墨水書寫(DIW) 技術制造，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)、導電且符合患者體形的傳感器。這些設備在睡眠和跑步機測試期間以高靈敏度捕捉主動應變和被動信號，如 EMG、EDA 和 EEG，引領團隊追求更廣泛的個性化診斷應用。