核心亮点

引言

传统生物电子支架制备技术普遍依赖多步微加工、高温烧结与手动组装，不仅工艺复杂、电极排布精度低，还易对 PCL 等低熔点生物材料造成热损伤，同时存在电极与支架力学不匹配、细胞贴合性差、电生理监测信号不稳定等瓶颈，难以满足体外心肌组织原位、无创、长期监测的实际需求。针对这一关键技术难题，西安交通大学科研团队立足行业痛点，依托我司自主研发的电流体动力（EHD）打印系统，创新提出并成功验证一步法激光辅助电流体动力学（EHD）打印策略，可直接制备内置微电子的微纤维结构，实现了内置微电极生物支架的一体化高效制备，为心肌细胞电生理监测与器官芯片研究开辟了全新技术路径。

研究内容

为应对生物电子支架制备难题，研究者已尝试将可降解聚合物支架与预制微加工电子器件结合构建生物电子支架。 Tian 等人采用微加工制备纳米线电子器件，通过静电纺丝与冷冻干燥将其整合到 PLGA、海藻酸盐等支架内，可稳定实时监测心肌细胞局部电活动；也有研究通过静电纺丝将生物纳米纤维覆盖于金微电极电路，实现电信号记录与心肌收缩调控。但这类电子器件多依附于 SU-8、聚酰亚胺等刚性基底，与心肌组织存在力学失配，会阻碍细胞正常收缩。 为解决力学适配问题，研究者转而在预制生物材料支架上直接沉积导电图案。Lee 等人在超软聚氨酯纳米纤维支架上沉积金导线，Feiner 等人通过电子束蒸发在可降解白蛋白薄膜上制备金电极，均实现了心肌组织的原位监测与调控。但受多步微加工与手动操作限制，这类方法在快速成型、定制化及微电极精准定位方面仍存在明显短板。直写成型（DIW）3D 打印可灵活定位微电极，为生物电子支架制备提供新路径，Dvir 团队更实现了含细胞、导电、介电三种墨水的一步法打印，可多点监测胞外电位并调控细胞收缩。但 DIW 受喷嘴与墨水限制，特征尺寸偏大，无法提供细胞尺度拓扑信号引导心肌定向排列，难以满足高灵敏电生理记录需求。电流体动力学（EHD）打印具备微纳制备优势，可一体化打印微纤维与微电极，但金属纳米颗粒墨水需＞150℃高温烧结才能导电，会直接熔化熔点＜60℃的 PCL 微纤维，成为核心技术瓶颈。

图 1 用于定向心肌细胞电生理监测的、内置微电子的微纤维结构的激光辅助 EHD 打印策略 (a) 示意图：(i) 激光辅助 EHD 打印系统；(ii−vi) 内置微电子的微纤维结构的激光辅助 EHD 打印流程。(b) 制备完成的、包含 9 个内置微电极的微纤维结构。(c) 利用微纤维结构的内置微电极对定向心肌细胞进行原位电生理监测。

本研究的核心技术突破在于原创性开发一步式激光辅助双喷头电流体动力学（EHD）打印体系，将生物支架成型、微电极制备与原位导电活化三大功能模块高度集成，实现内置微电子微纤维支架的单流程、无组装、生物兼容一体化制造，从根本上解决传统方法多步加工、高温损伤、电极定位困难等难题。该系统双喷头协同工作，先通过熔融 EHD 喷头沉积 PCL 微纤维构建稳定基底，再切换金纳米颗粒墨水喷头打印＜5μm 的高精度金微电极；同步搭载的原位激光烧结模块以 8mW 功率瞬时定点烧结，使电极电导率达 2.82×10⁶S/m，且热影响区极小，不损伤 PCL 微纤维。烧结后再次用 PCL 喷头精准封装电极，仅保留预设暴露长度，最后打印细胞尺度平行微纤维引导心肌定向排列。

我司技术支撑

本项研究中所使用的 EHD 打印系统由我司自主研发并提供系统集成双喷头打印、微米级视觉定位等核心模块，为顶刊成果的实现提供了从硬件到工艺的全流程支撑，是本次研究能够顺利突破技术瓶颈、成功发表于 ACS Nano 的关键保障。

合作邀约

我们诚邀高校、科研院所及生物医药企业开展深度合作，共同推进微纳生物 3D 打印、器官芯片与组织工程创新研究与成果转化。我司可提供激光辅助 EHD 打印系统、定制化装备开发、工艺方案设计及科研联合攻关支持。期待与您携手，将前沿技术落地为实用产品，赋能药物筛选、类器官模型与再生医学发展，共创生物制造新未来。

声明

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本文来源:ACSNano 期刊 | 发布时间:2025-04-17