طور علماء في جامعة هيوستن طريقة جديدة للطباعة ثلاثية الأبعاد لأجهزة الاستشعار الحيوية التي يمكن زراعتها يومًا ما في مضيف بشري.
باستخدام الطباعة الحجرية متعددة الفوتونات (MPL) ، تتضمن طريقة الفريق بلمرة الراتنجات المحملة بمواد عضوية شبه موصلة طبقة تلو طبقة لتشكيل لوحات دوائر صغيرة متوافقة حيويًا. حتى الآن ، استخدم الباحثون عمليتهم لإنشاء أجهزة استشعار عالية الدقة للجلوكوز ، ولكن مع مزيد من البحث والتطوير ، يعتقدون أنها يمكن أن تمهد الطريق لإنتاج جيل جديد من الأجهزة الإلكترونية الحيوية.
قال الفريق في ورقتهم: "هنا ، تم إدخال راتنج حساس موحد وشفاف مخدر بمواد أشباه الموصلات العضوية (OS) لتصنيع العديد من الهياكل الدقيقة المركبة ثلاثية الأبعاد لنظام التشغيل (OSCM)". "تُظهر نتائج [لدينا] الإمكانات الكبيرة لهذه الأجهزة لمجموعة واسعة من التطبيقات التي تتراوح من الإلكترونيات الحيوية المرنة إلى الإلكترونيات النانوية وأجهزة الأعضاء على الرقاقة."
إحياء الغرسات الموصلة
في ورقتهم ، حدد الباحثون MPL على أنها تقنية "حديثة" في الطباعة ثلاثية الأبعاد للكتابة بالليزر المباشر (DLW) نظرًا لتعدد استخدامات المادة والدقة العالية التي يمكن أن تحققها (دقة تصل إلى 15 نانومتر) . ). على هذا النحو ، يرى فريق هيوستن أن التكنولوجيا مثالية لإنتاج نوع الأجهزة الإلكترونية النانوية التي كانت موضوع بحث مكثف خلال السنوات القليلة الماضية.
ومع ذلك ، فإن جدوى الطباعة ثلاثية الأبعاد لمثل هذه النباتات الحيوية لا تزال محدودة بسبب الموصلية الكهربائية المنخفضة للمواد المستخدمة في إنتاجها. وفقًا للعلماء ، يرجع هذا إلى أن النموذج الأولي للإلكترونيات الحيوية يتكون عادةً من الأنابيب النانوية الكربونية أو الجرافين ، لذلك فهي تتمتع بخصائص غير عضوية "يصعب تفريقها بشكل موحد في الراتنجات" و "بدون فصل كبير في الطور".
للتغلب على أوجه القصور هذه ، طور باحثو هيوستن راتينج MPL الخاص بهم ، والذي يتكون من بوليمر PEGA المحمل بـ DMSO ، PEDOT: أشباه الموصلات العضوية PSS ، اللامينين ، وأكسيداز الجلوكوز ، والتي يمكن طباعتها بدقة ثلاثية الأبعاد في لوحة المناطق الأحيائية المصغرة ذات الخصائص الموحدة
طباعة ثلاثية الأبعاد متوافقة مع الخلايا PCB
في البداية ، استخدم الباحثون مادتهم لإنتاج مجموعة متنوعة من الأجهزة الإلكترونية الدقيقة ، بما في ذلك لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) ، والتي تحتوي على مجموعة من المكثفات الدقيقة. بمجرد أن أظهروا فعالية أسلوبهم ، شرع الفريق في تجربة laminin ، وهو بروتين سكري موجود في أغشية الأنسجة الحيوانية المختلفة الذي يعزز ارتباط الخلايا ، والإشارات ، والهجرة.
بعد تحميل الراتينج بالبروتين ، واصل الفريق طباعته ثلاثية الأبعاد في بنى مجهرية أكثر تعقيدًا ، والتي تم زراعتها بعد ذلك في أنسجة الفئران لمدة 48 ساعة. مقارنة بالعينات غير المعالجة ، لاحظ العلماء أن خلاياهم أظهرت دليلاً على "البقاء على قيد الحياة المعزز" مع الاحتفاظ أيضًا بالقدرة على تعزيز الارتباط والتكاثر.
بعد تحديد التوافق الحيوي للزرع ، سعى الباحثون لتقييم الخواص الكهروكيميائية لهذه الأجهزة. أظهر الاختبار بتردد ذي صلة بيولوجيًا قدره 1 كيلوهرتز أنه مع زيادة قطر القطب المجهري ، انخفضت المعاوقة الكهربائية لثنائي الفينيل متعدد الكلور للفريق عند جميع الترددات (من 1 إلى 105 هرتز) ، وكانت النتائج "متوافقة مع النتائج التي تم الإبلاغ عنها سابقًا"
أخيرًا ، لإثبات التطبيق المحتمل لطريقتهم ، استخدمها العلماء لإنتاج نوع جديد من أجهزة الاستشعار الحيوية القادرة على اكتشاف مستويات الجلوكوز بثبات ودقة عالية باستخدام التيار الكهربائي. بالنظر إلى أن الجهاز أكثر حساسية بعشر مرات من الشاشات الحالية ، يقول الفريق إن الراتنج الخاص بهم يمكن أن يساعد الآن في تسريع التقدم البشري نحو عمليات الزرع الإلكترونية.
"نتوقع أن الراتنجات المركبة لنظام التشغيل المتوافقة مع MPL ستنتج بنى مجهرية ناعمة ونشطة بيولوجيًا وموصلة لمجموعة متنوعة من التطبيقات في المجالات الناشئة مثل الإلكترونيات الحيوية المرنة / أجهزة الاستشعار الحيوية ، والإلكترونيات النانوية ، والأعضاء على رقاقة ، والعلاج بالخلايا المناعية تمهيد الطريق. "
