小熊軟糖上列印的微電極陣列：有望帶來新型醫療診斷工具！

導讀

近日，德國慕尼黑工業大學（TUM）的一支科研團隊成功地將電極直接列印到幾種柔性基底上，例如小熊軟糖。

背景

微電極，可用於直接測量大腦或心臟中的電信號。然而，這些應用需要柔性材料。但是，通過現有的方法將電極粘貼到這些柔性材料上，非常具有挑戰性。

（圖片來源：阿卜杜拉國王科技大學）

創新

近日，德國慕尼黑工業大學（TUM）的一支科研團隊成功地將電極直接列印到幾種柔性基底上。慕尼黑工業大學和於利希研究中心的研究人員展開合作，成功地在小熊軟糖上進行噴墨列印。一開始聽上去可能像是科學家們在玩耍，但是實際上它為醫療診斷方面的重大轉變指明了一條道路。

（圖片來源: N. Adly / TUM）

技術

首先，Bernhard Wolfrum 教授的團隊並不是將圖案或者商標列印到軟糖上，而是一個微電極陣列。這些元件由大量的電極組成。例如，這些電極能夠檢測神經元或者肌肉細胞活動引起的電壓變化。

其次，當在活細胞中使用微電極陣列時，小熊軟糖具有一種重要的特性：柔軟。微電極陣列已經存在很長一段時間了。它們的初始形式是由硬質材料例如硅組成。當它們與活細胞接觸時，會帶來一些缺點。例如，在實驗中，它們的硬度會影響細胞的形狀和組織。而且，在身體內，硬質材料可以引發感染或器官功能的喪失。

當將電極放置在柔性材料上時，這些問題將得以避免。這種類型的解決方案引發了密集的研究。到目前為止，大多數方案採用傳統的方法，不僅會耗費大量時間，還需要昂貴的專業實驗器材。

TUM 納米電子學教授 Bernhard Wolfrum 表示：「如果你用列印電極的方法來替代傳統方法，那麼就可以相對快速且便宜地生產電極。如果你需要重做時，同樣也適用。這種快速成形使我們能以全新的方式工作。」

Wolfrum 和他的而團隊採用了高科技版的噴墨印表機。電極本身是通過碳基油墨來列印的。為了防止感測器採集雜散信號，在碳基油墨的路徑上會添加一層中性保護層。

（圖片來源: 參考資料【2】）

研究人員在各種基底上測試這一工藝，包括：聚二甲基硅氧烷（PDMS），硅的一種柔軟形式；瓊脂糖，生物實驗中常用的物質；各種形式的明膠，包括首先融化然後再變硬的小熊軟糖。這些材料中的每一種都適合特定的應用。例如，塗有明膠的植入物可以減少活組織中不合需要的反應。

（圖片來源: 參考資料【2】）

通過細胞培養實驗，團隊確認感測器可以提供可靠的測量。他們也可以測量單個細胞或者幾個細胞，平均寬度為30微米，而通過現有的印刷技術難以實現這種測量。

論文第一作者 Nouran Adly 表示：「難度在於所有組件的微調，包括印表機的技術組裝以及油墨的成分。例如，拿PDMS來說，我們必須使用我們開發的預處理技術，讓油墨附著於物體表面。」

價值

柔性材料上印刷的微電極陣列，可應用於許多不同領域。它們不僅適用於研究中的快速成形，也可以改變患者的治療方法。

Wolfrum 教授表示：「未來，例如，相似的柔性結構可用於監測神經或者心臟功能，或者甚至作為起搏器使用。」

目前，他與他的團隊正致力於列印更多複雜的三維電極陣列。他們也在研究印刷型感測器，能夠選擇性地與化學物質產生化學反應，不僅僅是監測電壓波動。

關鍵字

電極、印刷電子、感測器、醫療

參考資料

【1】https://www.tum.de/nc/en/about-tum/news/press-releases/detail/article/34758/

【2】N. Adly, S. Weidlich, S. Seyock, F. Brings, A.Yakushenko, A. Offenh?usser, B. Wolfrum. "Printed Microelectrode Arrays on Soft Materials: From PDMS to Hydrogels." Npj Flexible Electronics 2:1 (2018). DOI:10.1038/s41528-018-0027-z.

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