Επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Χιούστον έχουν αναπτύξει μια νέα μέθοδο βιοαισθητήρων 3D εκτύπωσης που θα μπορούσε μια μέρα να εμφυτευτεί σε έναν ανθρώπινο ξενιστή.
Χρησιμοποιώντας πολυφωτογραφία (MPL), η μέθοδος της ομάδας περιλαμβάνει πολυμεριστικές ρητίνες φορτωμένες με οργανικά υλικά ημιαγωγών στρώμα προς στρώμα για να σχηματίσουν μικροσκοπικές βιοσυμβατές πλακέτες κυκλωμάτων. Μέχρι στιγμής, οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει τη διαδικασία τους για να δημιουργήσουν αισθητήρες γλυκόζης υψηλής ακρίβειας, αλλά με περαιτέρω έρευνα και ανάπτυξη, πιστεύουν ότι θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για την παραγωγή μιας νέας γενιάς βιοηλεκτρονικών συσκευών.
«Εδώ, εισήχθη μια ομοιόμορφη και διαφανής φωτοευαίσθητη ρητίνη ντοπαρισμένη με οργανικά υλικά ημιαγωγών (OS) για την κατασκευή διαφόρων σύνθετων μικροδομών 3D OS (OSCM)», ανέφερε η ομάδα στο έγγραφό της. «[Τα] αποτελέσματά μας καταδεικνύουν τις μεγάλες δυνατότητες αυτών των συσκευών για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών που κυμαίνονται από την εύκαμπτη βιοηλεκτρονική έως τη νανοηλεκτρονική και τις συσκευές organ-on-a-chip».
Ζωντανεύοντας τα αγώγιμα εμφυτεύματα
Στην εργασία τους, οι ερευνητές αναγνώρισαν το MPL ως την «υπερσύγχρονη» τεχνολογία στην άμεση γραφή λέιζερ (DLW) 3D εκτύπωση λόγω της ευελιξίας του υλικού και της υψηλής ακρίβειας που μπορεί να επιτύχει (ανάλυση έως 15 νανόμετρα). ). Ως εκ τούτου, η ομάδα του Χιούστον βλέπει την τεχνολογία ως ιδανική για την παραγωγή του τύπου των νανοηλεκτρονικών συσκευών που έχουν αποτελέσει αντικείμενο εντατικής έρευνας τα τελευταία χρόνια.
Ωστόσο, η βιωσιμότητα της 3D εκτύπωσης τέτοιων βιοεμφυτευμάτων εξακολουθεί να περιορίζεται από τη χαμηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα των υλικών που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή τους. Σύμφωνα με τους επιστήμονες, αυτό συμβαίνει επειδή η πρωτότυπη βιοηλεκτρονική είναι συνήθως κατασκευασμένη από νανοσωλήνες άνθρακα ή γραφένιο, επομένως έχουν ανόργανες ιδιότητες που είναι «δύσκολο να διασκορπιστούν ομοιόμορφα σε ρητίνες» και «χωρίς σημαντικό διαχωρισμό φάσης».
Για να ξεπεραστούν αυτές οι ελλείψεις, οι ερευνητές του Χιούστον ανέπτυξαν τη δική τους ρητίνη MPL, αποτελούμενη από πολυμερές PEGA φορτωμένο με DMSO, PEDOT: PSS οργανικό ημιαγωγό, λαμινίνη και οξειδάση γλυκόζης, το οποίο μπορεί να εκτυπωθεί με ακρίβεια 3D σε μίνι-βιότοπους Board με ομοιόμορφα χαρακτηριστικά
3D τυπωμένο κυτοσυμβατό PCB
Αρχικά, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το υλικό τους για να παράγουν μια ποικιλία μικροηλεκτρονικών συσκευών, συμπεριλαμβανομένων πλακετών τυπωμένων κυκλωμάτων (PCB), οι οποίες περιείχαν μια σειρά μικρο-πυκνωτών. Μόλις απέδειξαν την αποτελεσματικότητα της τεχνικής τους, η ομάδα ξεκίνησε να πειραματίζεται με την ελμινίνη, μια γλυκοπρωτεΐνη που βρίσκεται στις μεμβράνες διαφορετικών ζωικών ιστών που προάγει την προσκόλληση, τη σηματοδότηση και τη μετανάστευση των κυττάρων.
Αφού φόρτωσε τη ρητίνη με την πρωτεΐνη, η ομάδα συνέχισε να την εκτυπώνει 3D σε πιο σύνθετες μικροδομές, οι οποίες στη συνέχεια καλλιεργήθηκαν σε ιστό ποντικού για 48 ώρες. Σε σύγκριση με τα μη φαρμακευτικά δείγματα, οι επιστήμονες σημείωσαν ότι τα κύτταρά τους έδειξαν ενδείξεις «ενισχυμένης επιβίωσης» διατηρώντας παράλληλα την ικανότητα να προάγουν την προσκόλληση και τον πολλαπλασιασμό.
Μετά τον προσδιορισμό της βιοσυμβατότητας των εμφυτευμάτων, οι ερευνητές προσπάθησαν να αξιολογήσουν τις ηλεκτροχημικές ιδιότητες αυτών των συσκευών. Οι δοκιμές σε μια βιολογικά σχετική συχνότητα 1 kHz έδειξαν ότι καθώς η διάμετρος του μικροηλεκτρονίου αυξήθηκε, η ηλεκτρική σύνθετη αντίσταση του PCB της ομάδας μειώθηκε σε όλες τις συχνότητες (1 έως 105 Hz), με αποτελέσματα "σύμφωνα με τα αποτελέσματα που αναφέρθηκαν προηγουμένως"
Τέλος, για να αποδείξουν την πιθανή εφαρμογή της μεθόδου τους, οι επιστήμονες τη χρησιμοποίησαν για να παράγουν έναν νέο τύπο βιοαισθητήρα ικανό να ανιχνεύει τα επίπεδα γλυκόζης με υψηλή σταθερότητα και ακρίβεια χρησιμοποιώντας ηλεκτρικό ρεύμα. Δεδομένου ότι η συσκευή είναι δέκα φορές πιο ευαίσθητη από τις τρέχουσες οθόνες, η ομάδα λέει ότι η ρητίνη τους θα μπορούσε τώρα να βοηθήσει στην επιτάχυνση της ανθρώπινης προόδου προς τα κυβερνητικά εμφυτεύματα.
«Αναμένουμε ότι οι αποδεδειγμένες σύνθετες ρητίνες os συμβατές με MPL θα παράγουν μαλακές, βιοδραστικές και αγώγιμες μικροδομές για μια ποικιλία εφαρμογών σε αναδυόμενους τομείς όπως η εύκαμπτη βιοηλεκτρονική / βιοαισθητήρες, η νανοηλεκτρονική, το organ-on-a-chip και η θεραπεία ανοσοκυττάρων Pave the way.», κατέληξαν οι ερευνητές στην εργασία τους.
