Wissenschaftler der University of Houston haben eine neue Methode zum 3D-Druck von Biosensoren entwickelt, die eines Tages in einen menschlichen Wirt implantiert werden könnten.
Unter Verwendung der Multiphotonen-Lithographie (MPL) beinhaltet die Methode des Teams die Polymerisierung von Harzen, die mit organischen Halbleitermaterialien Schicht für Schicht beladen sind, um winzige biokompatible Leiterplatten zu bilden. Bisher haben die Forscher ihr Verfahren zur Herstellung hochpräziser Glukosesensoren eingesetzt, aber mit weiterer Forschung und Entwicklung glauben sie, dass es den Weg für die Produktion einer neuen Generation bioelektronischer Geräte ebnen könnte.
"Hier wurde ein einheitliches und transparentes lichtempfindliches Harz, das mit organischen Halbleitermaterialien (OS) dotiert ist, eingeführt, um verschiedene 3D-OS-Verbundmikrostrukturen (OSCMs) herzustellen", sagte das Team in seinem Artikel. "[Unsere] Ergebnisse zeigen das große Potenzial dieser Geräte für eine breite Palette von Anwendungen, die von flexibler Bioelektronik bis hin zu Nanoelektronik und Organ-on-a-Chip-Geräten reichen."
Leitfähige Implantate zum Leben erwecken
In ihrer Veröffentlichung identifizierten die Forscher MPL aufgrund der Vielseitigkeit des Materials und der hohen Präzision, die es erreichen kann (Auflösung bis zu 15 Nanometer) als „State-of-the-Art“-Technologie im 3D-Druck mit direktem Laserschreiben (DLW). . ). Daher sieht das Houstoner Team die Technologie als ideal für die Herstellung der Art von nanoelektronischen Geräten, die in den letzten Jahren Gegenstand intensiver Forschung waren.
Die Realisierbarkeit des 3D-Drucks solcher Bioimplantate ist jedoch weiterhin durch die geringe elektrische Leitfähigkeit der zu ihrer Herstellung verwendeten Materialien begrenzt. Laut den Wissenschaftlern liegt dies daran, dass Prototypen der Bioelektronik normalerweise aus Kohlenstoffnanoröhren oder Graphen bestehen, also anorganische Eigenschaften haben, die „schwierig gleichmäßig in Harzen zu dispergieren“ und „ohne signifikante Phasentrennung“ sind.
Um diese Mängel zu überwinden, haben die Houstoner Forscher daher ein eigenes MPL-Harz entwickelt, das aus DMSO-beladenem PEGA-Polymer, PEDOT: PSS organischem Halbleiter, Laminin und Glucoseoxidase besteht, das präzise 3D-gedruckt werden kann in Mini-Biome-Platten mit einheitlichen Eigenschaften
3D-gedruckte zytokompatible Leiterplatte
Zunächst verwendeten die Forscher ihr Material zur Herstellung einer Vielzahl von mikroelektronischen Geräten, einschließlich gedruckter Leiterplatten (PCBs), die eine Reihe von Mikrokondensatoren enthielten. Nachdem sie die Wirksamkeit ihrer Technik demonstriert hatten, machte sich das Team daran, mit Laminin zu experimentieren, einem Glykoprotein, das in den Membranen verschiedener tierischer Gewebe vorkommt und die Anheftung, Signalübertragung und Migration von Zellen fördert.
Nach dem Beladen des Harzes mit dem Protein fuhr das Team fort, es in komplexere Mikrostrukturen zu drucken, die dann 48 Stunden lang in Mausgewebe kultiviert wurden. Im Vergleich zu unbehandelten Proben stellten die Wissenschaftler fest, dass ihre Zellen Anzeichen für ein „verbessertes Überleben“ zeigten, während sie gleichzeitig die Fähigkeit zur Förderung der Anheftung und Proliferation beibehielten.
Nach der Bestimmung der Biokompatibilität der Implantate versuchten die Forscher, die elektrochemischen Eigenschaften dieser Geräte zu bewerten. Tests bei einer biologisch relevanten Frequenz von 1 kHz zeigten, dass mit zunehmendem Durchmesser der Mikroelektrode die elektrische Impedanz der PCB des Teams bei allen Frequenzen (1 bis 105 Hz) abnahm, wobei die Ergebnisse „mit zuvor gemeldeten Ergebnissen übereinstimmen“.
Um schließlich die potenzielle Anwendung ihrer Methode zu demonstrieren, nutzten die Wissenschaftler sie zur Herstellung eines neuartigen Biosensors, der in der Lage ist, Glukosespiegel mit hoher Stabilität und Präzision unter Verwendung von elektrischem Strom zu messen. Angesichts der Tatsache, dass das Gerät zehnmal empfindlicher ist als aktuelle Monitore, sagt das Team, dass ihr Harz nun dazu beitragen könnte, den menschlichen Fortschritt in Richtung kybernetischer Implantate zu beschleunigen.
„Wir gehen davon aus, dass die demonstrierten MPL-kompatiblen OS-Verbundharze weiche, bioaktive und leitfähige Mikrostrukturen für eine Vielzahl von Anwendungen in aufstrebenden Bereichen wie flexible Bioelektronik/Biosensoren, Nanoelektronik, Organ-on-a-Chip und Immunzelltherapie produzieren werden Den Weg ebnen“, schlussfolgerten die Forscher in ihrem Paper.
