3D打印混合鼻软骨与功能性电子嗅觉集成系统
Yasamin A. Jodat, Kiavash Kiaee, Daniel Vela Jarquin, Rosakaren Ludivina De la Garza Hernández, Ting Wang, Sudeep Joshi, Zahra Rezaei, Bruna Alice Gomes de Melo, David Ge, Manu S. Mannoor, Su Ryon Shin | Advanced Science 2020 | DOI: 10.1002/advs.201901878
标签: #3D生物打印 #仿生器官 #电子鼻 #软骨组织工程 #电化学传感
一、做什么 🔬
研究背景：仿生器官工程长期面临生物组织重建与电子传感器件难以兼容的瓶颈。传统电子鼻依赖金属电极与苛刻电解质环境，直接破坏活细胞活性；而纯组织工程构建的软骨或上皮模型仅能模拟形态，缺乏对外界化学分子的实时感知能力。鼻腔软骨结构相对规整、机械强度高，是验证“活体组织-电子界面”共存的理想模型，但大尺度水凝胶打印易发生重力坍塌，且传感器集成会进一步干扰细胞微环境。
核心问题：
- 能否通过多材料3D生物打印技术构建兼具机械强度与细胞支持能力的混合鼻软骨结构？
- 如何在保证软骨细胞长期存活与功能表达的前提下，将电化学生物传感器无缝集成至打印组织内部？
- 该混合系统能否实现对特定爆炸物分子（如TNT）的高灵敏度、无标记实时检测？
研究模型：牛鼻中隔软骨细胞负载的海藻酸钠/GelMA复合水凝胶3D打印体外模型。
技术路线：
- 刚度梯度生物墨水配制：优化海藻酸钠与GelMA交联比例，制备高刚度“硬层”与低刚度“软层”细胞负载墨水。
- 双喷头交替3D打印：采用预设G代码控制双喷头沉积路径，构建10层宏观鼻软骨支架，平衡结构支撑与营养渗透。
- 微电极阵列微纳加工：利用电子束沉积工艺在柔性基底上制备金（工作/对电极）与银（参比电极）三电极系统。
- 组织-电子界面原位集成：在传感器上方直接打印细胞负载软骨，通过电化学阻抗谱（EIS）技术评估生物传感性能。
二、发现什么 📊
核心发现1：多材料3D打印策略成功构建低塌陷率、高孔隙率的仿生鼻软骨宏观支架
图1：双喷头交替打印10层软硬复合结构，支架宏观塌陷率控制在3%以内，实现几何完整性与内部孔隙网络同步构建。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 采用双喷头挤出式3D生物打印机，交替沉积高刚度（硬层）与低刚度（软层）牛鼻中隔软骨细胞负载生物墨水，构建总层数为10层的宏观鼻软骨模型，并在打印后24小时内监测结构形变。 |
| 发现什么 | 打印后支架的宏观结构塌陷率严格控制在3%以内，内部形成连续贯通的微孔网络，硬层提供机械支撑，软层维持细胞外基质微环境。 |
| 说明什么 | 证实刚度梯度生物墨水配比与交替打印路径设计能够有效解决大尺度水凝胶打印中的重力坍塌难题，为后续集成电子传感器提供了稳定的物理载体。 |
三、说明什么 💡
领域意义：该研究打破了组织工程与微电子传感各自独立发展的壁垒，首次将高生物相容性3D打印软骨与无标记电化学传感系统在同一构建体内实现物理与功能融合。此前学界普遍认为金属电极与活体组织难以长期共存，该工作通过材料优化与界面设计证明了“活体组织-电子器件”混合界面的可行性，推动了仿生感官器官从“形态模拟”向“功能集成”的范式转变。
临床/转化价值：
- 为呼吸道疾病早期筛查提供体外高保真模型，可实时监测气道分泌物中的特异性生物标志物。
- 开发可穿戴/植入式电子嗅觉设备，用于环境监测（如爆炸物、有毒气体泄漏）与工业安全防护。
- 建立标准化的生物-电子接口测试平台，加速神经假体与脑机接口中感觉反馈模块的研发。
与我们产品的关联：该研究依赖高精度多材料挤出与活细胞长期培养监测。我们的3D生物打印机可直接复现其双墨水交替打印策略，而活细胞成像与代谢分析模块可无缝对接其后续的细胞活性验证流程。
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| Cellink BIO X / BIO X6 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 论文采用多材料挤出式3D生物打印构建双墨水软骨支架，BIO X6支持多通道独立温控与高精度挤出，可直接复现其10层交替打印路径与刚度梯度设计。 |
| 3Brain HD-MEA / CorePlate | ⭐⭐⭐ | 论文使用传统三电极EIS检测阻抗变化，3Brain HD-MEA可提供更高通量、无标记的细胞电生理与代谢活动实时监测，适用于后续嗅觉神经元-传感器界面的动态信号解析。 |
| Celvivo | ⭐⭐ | 该混合器官需在长期培养中维持细胞活性与分泌功能，Celvivo的活体实时成像系统可非侵入式追踪打印软骨内部细胞的三维分布与胶原沉积动态。 |
| SIEVEWELL | ⭐ | 论文聚焦宏观支架打印与界面传感，SIEVEWELL的微流控器官芯片技术可用于后续将此类混合鼻软骨接入动态气流灌注系统，模拟真实呼吸微环境。 |
参考文献
- Murphy SV, Atala A. 3D bioprinting of tissues and organs. Nat Biotechnol. 2014;32(8):773-785. DOI: 10.1038/nbt.2958
- Groll J, et al. A definition of bioinks and their distinction from biomaterial inks. Biofabrication. 2018;11(1):013001. DOI: 10.1088/1758-5090/aaec52
- Januszyk M, et al. 3D bioprinting for tissue engineering. Adv Healthc Mater. 2020;9(15):2000485. DOI: 10.1002/adhm.202000485
- Rock F, Barsan N, Weimar U. Electronic nose: current status and future trends. Chem Rev. 2008;108(2):705-725. DOI: 10.1021/cr068121q
转发语：3D打印软骨直接“长”在电子传感器上，既能维持细胞活性又能精准嗅出TNT爆炸物分子，仿生器官终于从“长得像”跨入“有功能”时代。
联系人：李东伟
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📥 下载原文PDF：Advanced Science 2020 3D打印混合鼻软骨与功能性电子嗅觉