用于生物检测的含润滑剂微阵列的自动化共价微接触生物打印技术

《Small》：Automated Covalent Microcontact Bioprinting of Lubricant-Infused Microarrays for Biological Assays

本研究提出一种结合共价交联和润滑表面处理的微接触生物打印（μCP）方法，优化了生物墨水配方（EDC/NHS与BSA-FITC比例为1.23:1，甘油浓度0.25%）及打印参数（CO?等离子体处理15分钟，压力32.67kPa，湿度60%，干燥时间3分钟），实现了高灵敏度（SNR>15）和一致性的微阵列。首次成功μCP打印具有感染活性的噬菌体（JG004），并通过细菌代谢活性检测（XTT）验证其功能。通过FMEA优化流程，开发了自动化系统，使重复性和可扩展性达到工业标准，为生物传感器和诊断设备提供了新平台。

　　微接触生物打印（μCP）是一种利用弹性印章将生物识别剂（即生物墨水）转移到基底上的技术，具有高度可定制性、成本效益和广泛适用性等优势，被广泛应用于实验室中的生物检测和分析。尽管如此，μCP在工业应用中仍面临一些挑战，尤其是在实现重复性和可重复性方面。为了克服这些限制，研究人员提出了一种新的μCP方法，结合了氟硅烷化处理，以实现润滑剂浸润表面，从而防止非特异性吸附，同时通过改进的生物墨水配方，提高生物分子的共价结合能力。此外，还引入了一种自动化系统，为工业规模的生产提供了关键的推进。

在传统的μCP技术中，通常依赖于物理吸附来固定生物识别分子，这种方法往往导致微阵列的稳定性较差，从而影响检测信号的强度和一致性。为了提高生物分子的结合效果，研究人员引入了共价连接策略，例如利用EDC/NHS化学反应，这不仅能增强生物识别分子的结合，还能确保其在后续的清洗步骤中保持活性。同时，通过氟硅烷化处理和润滑剂浸润技术，可以减少非特异性结合，提高检测的信噪比（SNR）和重复性。

在实验过程中，研究人员对多个关键步骤进行了优化，包括生物墨水配方、滴液去除方法、外部环境因素（如温度和湿度）以及力的施加。这些优化措施显著提高了微阵列的性能，使得其在工业生产中更具可行性。例如，使用0.25%的甘油作为添加剂，可以有效减少常见的“咖啡环效应”，从而提高微阵列的均匀性和信号强度。此外，经过优化的环境湿度（60%）和空气干燥时间（3分钟）也进一步提升了信号的一致性。

为了实现工业化的高通量生产，研究人员还开发了一套初步的自动化系统，包括使用注射泵进行滴液的精确控制和应用，以及利用机械臂进行力的标准化施加。这些自动化手段不仅提高了生产效率，还减少了人为操作带来的不一致性。通过结合自动化与标准化流程，研究人员成功地将μCP技术从实验室规模推进到工业应用层面，展示了其在高通量生物墨水打印方面的潜力。

此外，研究人员还测试了多种生物识别分子，包括荧光蛋白、细菌病毒（如溶菌性噬菌体）等，验证了优化后的μCP方法在不同分子类型上的适用性。特别是，通过使用溶菌性噬菌体进行生物检测实验，他们观察到在3小时后，噬菌体的溶菌活性引发了明显的颜色变化，这表明优化后的技术不仅能够维持生物分子的活性，还能有效实现其在微阵列中的固定和检测。这一发现为工业规模的生物检测和生物传感应用提供了重要支持。

在工业应用方面，研究人员强调了该技术的高可定制性和可扩展性。通过结合氟硅烷化处理和润滑剂浸润技术，微阵列不仅具备更高的信号强度和更低的背景噪声，还能够在不同生物检测应用中保持稳定性。这种技术的优化为生物传感器的制造提供了新的思路，特别是在临床诊断、环境监测和食品检测等领域。例如，通过将噬菌体固定在微阵列上，可以实现对多重耐药细菌的快速、特异性检测，这在生物传感领域具有重要意义。

研究人员还通过故障模式与影响分析（FMEA）方法，识别并优化了μCP过程中可能出现的高风险步骤。这些步骤包括生物墨水的配方、滴液去除、空气干燥、力的施加以及表面处理等。通过系统性的分析和优化，研究人员确保了整个流程的稳定性和一致性，从而降低了工业应用中的失败率和操作难度。

总的来说，这项研究不仅在技术上取得了突破，还在方法论上提供了重要的参考。通过结合多种创新技术，如氟硅烷化处理、润滑剂浸润和自动化系统，研究人员成功开发出一种适用于工业规模生产的高通量、高可重复性的微接触生物打印方法。这种方法不仅能够有效固定各种生物识别分子，还能保持其生物活性，为生物传感和生物检测技术的工业化应用铺平了道路。此外，研究还展示了该技术在实际生物检测中的应用潜力，例如通过噬菌体微阵列进行细菌活性检测，以及通过荧光信号的可视化来评估检测效果。

未来，研究人员计划进一步测试该技术在工业环境中的适用性，包括其在生产流水线中的集成以及长期储存稳定性等。这些测试将有助于推动该技术在更广泛的应用场景中落地，特别是在需要高重复性和可扩展性的领域。此外，该技术还可用于其他生物识别分子的打印，如抗体、蛋白质等，从而为多种生物检测方法提供支持。

总的来说，这项研究通过系统性的优化和创新，解决了微接触生物打印技术在工业应用中的关键问题，为生物检测和生物传感技术的规模化生产提供了可行的解决方案。通过将实验室技术转化为工业标准，这项研究不仅推动了生物打印技术的发展，还为生物医学和生物工程领域带来了新的机遇。