מדענים באוניברסיטת יוסטון פיתחו שיטה חדשה של ביוסנסורים להדפסה בתלת-ממד, שיום אחד ניתן יהיה להשתיל אותם בפונדקאי אנושי.
באמצעות ליתוגרפיה מרובת פוטונים (MPL), השיטה של הצוות כוללת פולימריזציה של שרפים עמוסים בחומרי מוליכים למחצה אורגניים שכבה אחר שכבה כדי ליצור מעגלים זעירים הניתנים להתאמה ביולוגית. עד כה, החוקרים השתמשו בתהליך שלהם כדי ליצור חיישני גלוקוז ברמת דיוק גבוהה, אך עם מחקר ופיתוח נוספים, הם מאמינים שזה יכול לסלול את הדרך לייצור דור חדש של מכשירים ביו-אלקטרוניים.
"כאן הוכנס שרף רגיש לאור אחיד ושקוף עם חומרים אורגניים של מוליכים למחצה (OS) כדי לייצר מיקרו-מבנים מרוכבים תלת-ממדיים שונים של מערכת ההפעלה (OSCMs)", נכתב במאמרם של הצוות. "התוצאות [שלנו] מדגימות את הפוטנציאל הגדול של התקנים אלה למגוון רחב של יישומים, החל מביו-אלקטרוניקה גמישה וכלה בננו-אלקטרוניקה והתקני איברים על שבב."
הבאת שתלים מוליכים לחיים
במאמרם זיהו החוקרים את MPL כטכנולוגיה "המתקדמת ביותר" בהדפסה תלת-ממדית של כתיבה ישירה בלייזר (DLW) בשל הרבגוניות של החומר והדיוק הגבוה שהוא יכול להשיג (רזולוציה של עד 15 ננומטר). ). ככזה, הצוות ביוסטון רואה את הטכנולוגיה כאידיאלית לייצור סוג המכשירים הננו-אלקטרוניים שהיו נושא למחקר אינטנסיבי בשנים האחרונות.
עם זאת, הכדאיות של הדפסה בתלת-ממד של ביו-אימפלנטים כאלה ממשיכה להיות מוגבלת על ידי המוליכות החשמלית הנמוכה של החומרים המשמשים לייצורם. לדברי המדענים, הסיבה לכך היא שאבות טיפוס של ביו-אלקטרוניקה עשויים בדרך כלל מננו-צינוריות פחמן או גרפן, ולכן יש להן תכונות אי-אורגניות ש"קשה לפזר באופן אחיד בשרפים" ו"ללא הפרדת פאזות משמעותית".
כדי להתגבר על חסרונות אלה, החוקרים מיוסטון פיתחו אפוא שרף MPL משלהם, המורכב מפולימר PEGA טעון DMSO, PEDOT: PSS מוליך למחצה אורגני, למינין ואוקסידאז גלוקוז, אשר ניתן להדפיס במדויק בתלת-ממד למיני-ביומים לוח עם מאפיינים אחידים
3D מודפס cytocompatible PCB
בתחילה, החוקרים השתמשו בחומר שלהם כדי לייצר מגוון של התקנים מיקרו-אלקטרוניים, כולל מעגלים מודפסים (PCBs), שהכילו מערך של מיקרו-קבלים. לאחר שהם הדגימו את יעילות הטכניקה שלהם, הצוות יצא לניסויים עם למינין, גליקופרוטאין שנמצא בממברנות של רקמות חיות שונות שמקדם התקשרות, איתות ונדידה של תאים.
לאחר שהעמיסו את השרף עם החלבון, הצוות המשיך להדפיס אותו בתלת-ממד למיקרו-מבנים מורכבים יותר, אשר לאחר מכן הוכנסו לתרבית ברקמת העכבר במשך 48 שעות. בהשוואה לדגימות לא רפואיות, המדענים ציינו כי התאים שלהם הראו עדויות ל"הישרדות משופרת" תוך שמירה על היכולת לקדם התקשרות והתפשטות.
לאחר קביעת התאימות הביולוגית של השתלים, החוקרים ביקשו להעריך את התכונות האלקטרוכימיות של התקנים אלה. בדיקה בתדר רלוונטי מבחינה ביולוגית של 1 קילוהרץ הראתה כי ככל שקוטר המיקרו-אלקטרוניקה גדל, העכבה החשמלית של ה-PCB של הצוות ירדה בכל התדרים (1 עד 105 הרץ), והתוצאות "עולות בקנה אחד עם התוצאות שדווחו בעבר"
לבסוף, כדי להדגים את היישום הפוטנציאלי של השיטה שלהם, המדענים השתמשו בה כדי לייצר סוג חדש של ביוסנסור המסוגל לזהות רמות גלוקוז עם יציבות ודיוק גבוהים באמצעות זרם חשמלי. בהתחשב בכך שהמכשיר רגיש פי עשרה מהמוניטורים הנוכחיים, הצוות אומר כי השרף שלהם יכול כעת לסייע להאיץ את ההתקדמות האנושית לעבר שתלים קיברנטיים.
"אנו צופים כי השרפים המרוכבים של מערכת ההפעלה התואמים ל-MPL ייצרו מיקרו-מבנים רכים, ביו-אקטיביים ומוליכים למגוון יישומים בתחומים מתפתחים כגון ביו-אלקטרוניקה/ביוסנסורים גמישים, ננו-אלקטרוניקה, איברים על שבב וטיפול בתאי מערכת החיסון סללו את הדרך.", סיכמו החוקרים במאמרם.
