隨著生物學與技術的界限日漸模糊，研究人員對生物電子學的興趣愈加濃厚。
生物電子學是將電子系統與生物系統相結合的一門科學，旨在設計出能夠監測或與人體自然過程相互作用的設備。日常生活中常見的生物電子學應用之一是健身追蹤器。比如，可穿戴的健身追蹤器可以實時監測心率、血氧水平和睡眠模式等健康數據。
雖然健身追蹤器是生物電子學最常見的例子之一，但還有其他常見的生物電子學設備，如實時血糖監測器等可穿戴健康設備，以及起搏器等植入式設備，它們在現代生活中同樣廣泛應用。
生物打印和生物電子學
采用柔性和生物相容性材料能夠顯著拓寬生物電子學的應用領域，而這正是3D生物打印發揮作用的地方。
多材料生物打印是生物電子學中的一項重要工具，它使得生物材料與電子導電元件的集成成為可能。這種打印技術能夠精確地放置組織和功能材料，提供對組織設計和成分的卓越控制。
生物打印通過使用生物相容性材料和細胞打印技術，使得植入式生物電子設備的個性化成為可能，從而降低了免疫排斥的風險。
除了能夠根據需求定制組織，生物打印機還被設計為使用軟材料進行打印，從而實現柔性結構的制造。這使得3D生物打印成為無細胞但生物相容的軟電子結構3D打印的理想工具。
研究人員如何融合
3D生物打印與生物電子學
為了深入了解研究人員如何利用CELLINK的生物打印機來提升和優化生物電子應用，我們采訪了Miriam Filippi博士。
Miriam Filippi博士是蘇黎世聯邦理工學院（ETHZ）軟機器人實驗室（SRL，領導者為Robert Katzschmann教授）的一名高級科學家。她的團隊最近與瑞士洛桑的EPFL合作，在《高級醫療保健材料》期刊上發表了一項相關研究。
Filippi博士強調了在生物電子學領域取得成功所需的多學科技能，他表示：“我們團隊的專業知識就像拼圖一樣，涵蓋了實現生物工程所需的所有相關方面。”
她接著說：“我們團隊堅定不移地致力于提出組織工程和機器人技術的新視角。我們對生物電子創新充滿熱情，并在追求先進組織模型的過程中展現出創造力。”
-團隊介紹-
參與ETHZ SRL軟水凝膠團隊的成員包括：
Miriam Filippi博士是SRL生物混合機器人領域的高級研究員和首席研究員，專注于生物制造、功能材料和組織開發方面的專業知識。
Antonia Georgopoulou博士是瑞士洛桑EPFL軟材料實驗室的博士后研究員，專注于傳感器、機器人技術和材料科學領域的專業知識。
Asia Badolato是SRL的博士生，專注于組織生物力學和3D生物打印領域的專業知識。
Diana Mock是SRL的碩士生，專注于多材料3D生物打印和組織工程領域的專業知識。
ETHZ軟機器人實驗室的傳感器水凝膠團隊
從左到右：
Diana Mock, Asia Badolato, Dr. Miriam Filippi, and Dr. Antonia Georgopoulou.
研究
在這項名為“利用壓阻水凝膠有機電子學進行穩定仿生界面的生物打印”的研究中，團隊致力于開發一種具有良好組織整合能力的材料，并著重于構建能夠捕捉對生物力學線索做出反應的機制。
這一目標是通過一種“傳感器水凝膠”實現的，該水凝膠能夠集成到他們的生物打印結構中。
本研究結合了合成水凝膠聚乙烯醇（PVA）、天然水凝膠海藻酸鈉（SA）和結冷膠（GG），以及導電填料，開發了這種傳感器水凝膠。在研究中，團隊測試了兩種不同的導電填料：聚合物聚吡咯（PPy）和炭黑（CB）。
兩種復合材料在表征時展現出相似的傳感器特性，然而，CB復合材料存在不理想的團聚傾向，而PPy復合材料則不存在這一問題。因此，研究小組選擇聚吡咯復合材料作為具有3D制造嵌入式組織傳感器潛力的材料。
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圖1。傳感器水凝膠由富含導電填料的雙網絡聚合物組合而成。
研究小組使用CELLINK的BIO X6（一款基于擠出技術的3D生物打印機）完成了3D生物打印構建。
傳感器水凝膠與接種細胞的肌肉組織生物墨水一起，通過CELLINK的BIO X6 3D生物打印機完成打印。隨后，打印的肌肉組織與集成傳感器一同培養，以促進組織成熟。在培養結束后，研究小組對組織模型的傳感器性能進行了測試。
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圖2：將水凝膠基應變傳感器與生物墨水共同打印，構建出傳感組織模型。通過拉伸結構，傳感器水凝膠的電阻率呈現出隨施加變形線性變化的特性。
-復雜材料組合的挑戰-
我們邀請Miriam Filippi博士分享更多關于使用多種具有不同特性、優勢和局限性的材料所面臨的挑戰。除了傳感器水凝膠的復雜組成外，研究人員還需要一種能夠支持組織生長的生物墨水。為此，他們開發了一種由天然衍生材料Matrigel和膠原蛋白組成的復合生物墨水。
“在我們的日常工作中，主要的挑戰在于應對復雜材料組合所需的多種操作要求。例如，Matrigel和膠原蛋白在不同溫度范圍內表現出各自獨特的溫度敏感交聯行為，而其他組分則需要化學交聯來實現穩定性。除此之外，還需要投入大量精力來優化這些材料的打印性能。”
Filippi博士進一步解釋道，混合物的復雜性使得在批次之間和長時間內保持生物墨水的反應一致性成為一大挑戰，直到他們最終找到合適的解決方案。
為何需要復雜材料
SRL團隊選擇復雜墨水配方的原因在于需要同時控制多個參數，包括穩定性和粘度、雙水凝膠網絡的形成、與導電成分的結合，以及滿足組織特異性的要求。
傳感器水凝膠經過優化，以實現高分辨率打印性能和理想的壓阻行為，而組織生物墨水則專為骨骼肌組織設計優化。這些配方旨在生物打印結構中無縫連接和協同作用。
下一步
Filippi博士相信，打印的組織結構有潛力提供關于組織內部動態的信息，例如應變的測量。
她表示：“盡管我們的傳感器材料能夠可靠地響應某些類型的機械刺激，例如組織整體結構的變形，但傳感器功能的微調以及其檢測微小變形的能力仍需進一步評估。”隨后她繼續說道：
“例如，我們的功能性水凝膠可以用于在工程化組織中構建導電通路，進而產生各向異性的電導率。因此，具有電化學功能的組織，如神經和肌肉組織，可以根據特定的定制模式進行設計與實現，從而創造出具有復雜結構、可控生長和功能的創新3D細胞培養模型。”
如何實現組織集成的生物
我們與Filippi博士進行了交流，以更深入了解他們是如何實現目標的：打印包含傳感水凝膠和負載肌肉細胞基質的雙相結構。
該團隊將從打印到最終構建的過程分為10個明確的步驟，且這些步驟可以歸納為三個階段：生物打印前、打印過程和生物打印后。
生物打印前
在這一階段，研究小組準備了創建結構所需的3D模型和材料。
同時，他們編寫了一個定制的G代碼，指示BIO X6按照特定架構和兩種材料的分布來構建結構。
首先，他們通過稱量所有成分，并在特定的受控條件下（如攪拌和溫度控制）混合，制備傳感器水凝膠。
與此同時，他們也制備了交聯溶液。
為了制備負載細胞的生物墨水，首先對細胞進行計數，離心出特定數量的細胞，并將其收集成顆粒。然后，將這些細胞與預定數量和一定體積的生物墨水混合，以確保細胞與生物墨水的比例一致。
生物打印過程
在此階段，將材料裝入各自的墨盒，設置并保存打印參數后，便開始進行打印。
圖3。軟生物電子網絡與活組織共同制造，形成復雜的組織集成結構。
生物打印后
在這一階段，研究人員根據成肌細胞的需求對構建體進行培養。隨后，他們繼續對所得組織樣本進行測試。
將構建體轉移到組織培養板上，并置于培養箱中。接著，為負載細胞的構建體添加生長培養基，持續培養4天，以促進細胞增殖。在此期間，每天收集并更換一半的培養基。當研究小組使用成肌細胞構建肌肉組織時，這些結構在機械張力的作用下逐漸成熟。
在組織成熟后，將工程化的組織樣本分配到不同的實驗流程中進行分析。這些分析包括在共聚焦顯微鏡下進行活/死染色以測試細胞存活率、對組織切片進行細胞表達染色，以及評估組織的機電性能和流變特性。
結論
在本博客中，我們探討了3D生物打印與生物電子學之間的相互作用也深入分析了蘇黎世聯邦理工學院軟機器人實驗室Filippi博士團隊的一個具體案例，展示了導電傳感器水凝膠如何與3D打印組織直接集成。
3D打印軟電子產品的其他應用并不專注于特定的組織。相反，這些應用利用3D生物打印機的獨特能力，精確地構建生物相容性導電結構，這些結構可以在多種場景中使用。一個相關的例子可以在由KAIST的Steve Park實驗室撰寫的出版物中找到。
像BIO X6這樣的多材料生物打印機使研究人員能夠完全控制架構的構建，無論是使用現成材料還是定制材料。CELLINK致力于幫助來自不同背景的研究人員，盡可能輕松地發揮生物打印技術的全部潛力。
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