生物电子学入门
生物打印如何用于打印柔软的导电材料
随着生物学与技术的界限日渐模糊，研究人员对生物电子学的兴趣愈加浓厚。
生物电子学是将电子系统与生物系统相结合的一门科学，旨在设计出能够监测或与人体自然过程相互作用的设备。日常生活中常见的生物电子学应用之一是健身追踪器。比如，可穿戴的健身追踪器可以实时监测心率、血氧水平和睡眠模式等健康数据。
虽然健身追踪器是生物电子学最常见的例子之一，但还有其他常见的生物电子学设备，如实时血糖监测器等可穿戴健康设备，以及起搏器等植入式设备，它们在现代生活中同样广泛应用。
生物打印和生物电子学
采用柔性和生物相容性材料能够显著拓宽生物电子学的应用领域，而这正是3D生物打印发挥作用的地方。
多材料生物打印是生物电子学中的一项重要工具，它使得生物材料与电子导电元件的集成成为可能。这种打印技术能够精确地放置组织和功能材料，提供对组织设计和成分的卓越控制。
生物打印通过使用生物相容性材料和细胞打印技术，使得植入式生物电子设备的个性化成为可能，从而降低了免疫排斥的风险。
除了能够根据需求定制组织，生物打印机还被设计为使用软材料进行打印，从而实现柔性结构的制造。这使得3D生物打印成为无细胞但生物相容的软电子结构3D打印的理想工具。
研究人员如何融合3D生物打印与生物电子学
为了深入了解研究人员如何利用CELLINK的生物打印机来提升和优化生物电子应用，我们采访了Miriam Filippi博士。
Miriam Filippi博士是苏黎世联邦理工学院（ETHZ）软机器人实验室（SRL，领导者为Robert Katzschmann教授）的一名高级科学家。她的团队最近与瑞士洛桑的EPFL合作，在《高级医疗保健材料》期刊上发表了一项相关研究。
Filippi博士强调了在生物电子学领域取得成功所需的多学科技能，他表示：“我们团队的专业知识就像拼图一样，涵盖了实现生物工程所需的所有相关方面。”
她接着说：“我们团队坚定不移地致力于提出组织工程和机器人技术的新视角。我们对生物电子创新充满热情，并在追求先进组织模型的过程中展现出创造力。”
团队介绍
参与ETHZ SRL软水凝胶团队的成员包括：
Miriam Filippi博士是SRL生物混合机器人领域的高级研究员和首席研究员，专注于生物制造、功能材料和组织开发方面的专业知识。
Antonia Georgopoulou博士是瑞士洛桑EPFL软材料实验室的博士后研究员，专注于传感器、机器人技术和材料科学领域的专业知识。
Asia Badolato是SRL的博士生，专注于组织生物力学和3D生物打印领域的专业知识。
Diana Mock是SRL的硕士生，专注于多材料3D生物打印和组织工程领域的专业知识。
从左到右： Diana Mock, Asia Badolato, Dr. Miriam Filippi, and Dr. Antonia Georgopoulou.
研究
在这项名为“利用压阻水凝胶有机电子学进行稳定仿生界面的生物打印”的研究中，团队致力于开发一种具有良好组织整合能力的材料，并着重于构建能够捕捉对生物力学线索做出反应的机制。
这一目标是通过一种“传感器水凝胶”实现的，该水凝胶能够集成到他们的生物打印结构中。
本研究结合了合成水凝胶聚乙烯醇（PVA）、天然水凝胶海藻酸钠（SA）和结冷胶（GG），以及导电填料，开发了这种传感器水凝胶。在研究中，团队测试了两种不同的导电填料：聚合物聚吡咯（PPy）和炭黑（CB）。
两种复合材料在表征时展现出相似的传感器特性，然而，CB复合材料存在不理想的团聚倾向，而PPy复合材料则不存在这一问题。因此，研究小组选择聚吡咯复合材料作为具有3D制造嵌入式组织传感器潜力的材料。
传感器水凝胶与接种细胞的肌肉组织生物墨水一起，通过CELLINK的BIO X6 3D生物打印机完成打印。随后，打印的肌肉组织与集成传感器一同培养，以促进组织成熟。在培养结束后，研究小组对组织模型的传感器性能进行了测试。
复杂材料组合的挑战
我们邀请Miriam Filippi博士分享更多关于使用多种具有不同特性、优势和局限性的材料所面临的挑战。除了传感器水凝胶的复杂组成外，研究人员还需要一种能够支持组织生长的生物墨水。为此，他们开发了一种由天然衍生材料Matrigel和胶原蛋白组成的复合生物墨水。
“在我们的日常工作中，主要的挑战在于应对复杂材料组合所需的多种操作要求。例如，Matrigel和胶原蛋白在不同温度范围内表现出各自独特的温度敏感交联行为，而其他组分则需要化学交联来实现稳定性。除此之外，还需要投入大量精力来优化这些材料的打印性能。”
Filippi博士进一步解释道，混合物的复杂性使得在批次之间和长时间内保持生物墨水的反应一致性成为一大挑战，直到他们最终找到合适的解决方案。
为何需要复杂材料
SRL团队选择复杂墨水配方的原因在于需要同时控制多个参数，包括稳定性和粘度、双水凝胶网络的形成、与导电成分的结合，以及满足组织特异性的要求。
传感器水凝胶经过优化，以实现高分辨率打印性能和理想的压阻行为，而组织生物墨水则专为骨骼肌组织设计优化。这些配方旨在生物打印结构中无缝连接和协同作用。
下一步
Filippi博士相信，打印的组织结构有潜力提供关于组织内部动态的信息，例如应变的测量。
她表示：“尽管我们的传感器材料能够可靠地响应某些类型的机械刺激，例如组织整体结构的变形，但传感器功能的微调以及其检测微小变形的能力仍需进一步评估。”随后她继续说道：
Miriam Filippi 博士
“例如，我们的功能性水凝胶可以用于在工程化组织中构建导电通路，进而产生各向异性的电导率。因此，具有电化学功能的组织，如神经和肌肉组织，可以根据特定的定制模式进行设计与实现，从而创造出具有复杂结构、可控生长和功能的创新3D细胞培养模型。”
如何实现组织集成的生物电子学打印
我们与Filippi博士进行了交流，以更深入了解他们是如何实现目标的：打印包含传感水凝胶和负载肌肉细胞基质的双相结构。
该团队将从打印到最终构建的过程分为10个明确的步骤，且这些步骤可以归纳为三个阶段：生物打印前、打印过程和生物打印后。
生物打印前
在这一阶段，研究小组准备了创建结构所需的3D模型和材料。
- 同时，他们编写了一个定制的G代码，指示BIO X6按照特定架构和两种材料的分布来构建结构。
- 首先，他们通过称量所有成分，并在特定的受控条件下（如搅拌和温度控制）混合，制备传感器水凝胶。
- 与此同时，他们也制备了交联溶液。
- 为了制备负载细胞的生物墨水，首先对细胞进行计数，离心出特定数量的细胞，并将其收集成颗粒。然后，将这些细胞与预定数量和一定体积的生物墨水混合，以确保细胞与生物墨水的比例一致。
生物打印过程
在此阶段，将材料装入各自的墨盒，设置并保存打印参数后，便开始进行打印。
- 将载有细胞的生物墨水和传感器水凝胶无菌地装入不同的墨盒，并通过22G锥形喷嘴进行挤出。
- 在打印之前，先对喷嘴进行校准，以确定其各自的XYZ偏移，精度达到至少0.1毫米。
- 该团队在BIO X6上建立了打印流程，通过评估打印精度和形状保真度，使用在先前优化实验中确定的一组优化印刷参数（包括压力、速度和温度）。他们优化了印刷过程，以最大限度地提高细胞接种密度，同时确保所用生物墨水具有良好的机械性能，从而实现精确的打印效果。
- 启动3D生物打印过程并完成构建。
生物打印后
在这一阶段，研究人员根据成肌细胞的需求对构建体进行培养。随后，他们继续对所得组织样本进行测试。
- 将构建体转移到组织培养板上，并置于培养箱中。接着，为负载细胞的构建体添加生长培养基，持续培养4天，以促进细胞增殖。在此期间，每天收集并更换一半的培养基。当研究小组使用成肌细胞构建肌肉组织时，这些结构在机械张力的作用下逐渐成熟。
- 在组织成熟后，将工程化的组织样本分配到不同的实验流程中进行分析。这些分析包括在共聚焦显微镜下进行活/死染色以测试细胞存活率、对组织切片进行细胞表达染色，以及评估组织的机电性能和流变特性。
结论
在本博客中，我们探讨了3D生物打印与生物电子学之间的相互作用也深入分析了苏黎世联邦理工学院软机器人实验室Filippi博士团队的一个具体案例，展示了导电传感器水凝胶如何与3D打印组织直接集成。
3D打印软电子产品的其他应用并不专注于特定的组织。相反，这些应用利用3D生物打印机的独特能力，精确地构建生物相容性导电结构，这些结构可以在多种场景中使用。一个相关的例子可以在由KAIST的Steve Park实验室撰写的出版物中找到。
像BIO X6这样的多材料生物打印机使研究人员能够完全控制架构的构建，无论是使用现成材料还是定制材料。CELLINK致力于帮助来自不同背景的研究人员，尽可能轻松地发挥生物打印技术的全部潜力。
您是否对打印软电子产品或生物传感器感兴趣，或是需要一台3D生物打印机？
请随时与我们联系，很高兴为您提供更多信息。https://cellink.cn/book-a-demo/
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