压阻性有机水凝胶网络的生物打印技术实现工程化组织模型中的实时力学传感

研究人员针对工程化组织中实时力学监测的难题，开发了基于PEDOT:PSS的可拉伸压阻性有机水凝胶传感器。通过3D生物打印技术将传感器与肌细胞负载生物墨水共打印，构建出具有稳定组织-传感器界面的复杂组织结构。该传感器在100%应变下具有0.7的应变系数，能检测低至3%的应变，实现了工程化组织内机械力的空间映射，为组织工程和再生医学提供了新型实时力学监测策略。

　　

在组织工程领域，理解三维细胞培养中的生物力学特性是推动组织再生治疗发展的关键。然而，如何在柔软的活体组织中集成实时力学传感系统一直是个重大挑战。传统传感器材料如弹性体、塑料和金属通常过于刚性，与生物组织的机械性能不匹配，且往往缺乏生物相容性。此外，现有技术难以实现高分辨率的力学信号空间定位，特别是在动态变化的活体组织环境中。这些限制严重阻碍了对组织发育过程中机械力作用的深入研究，也限制了智能植入物和先进细胞培养模型的发展。

针对这些挑战，瑞士苏黎世联邦理工学院软体机器人实验室的Miriam Filippi、Asia Badolato等研究人员在《TRENDS IN Biotechnology》发表了一项创新研究。他们开发了一种基于PEDOT:PSS的可拉伸压阻性水凝胶传感器，并将其与聚乙烯醇(PVA)-海藻酸钠基质整合，用于软组织中的实时力学传感。这项研究通过多材料3D生物打印技术，将传感器与肌细胞负载的生物墨水共打印，成功构建了稳定的复杂组织结构，支持细胞成熟和组织发育。嵌入的导电水凝胶作为柔性应变传感器，能够检测工程化组织中的整体和局部机械刺激，实现了机械力的空间映射。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：(1)开发PEDOT:PSS基导电水凝胶配方并进行力学电学特性表征；(2)优化3D生物打印参数实现传感器与细胞负载生物墨水的共打印；(3)构建包含不同传感器图案的多层组织模型；(4)通过组织学分析和免疫荧光评估组织成熟度；(5)设计定制化拉伸装置进行动态力学刺激和实时传感监测。研究使用了小鼠成肌细胞系(C2C12)构建工程化肌肉组织模型。

PEDOT:PSS水凝胶表现出压阻行为并实现高分辨率打印
研究人员首先开发了一种基于PVA和海藻酸钠(SA)的双聚合物网络基质，并加入PEDOT:PSS作为导电填料。拉伸测试显示该材料可达到130%的应变，杨氏模量为0.2 MPa。在100%应变下，应变系数(GF)为0.7。循环拉伸测试表明，即使在1%的低应变范围内，材料也能产生稳定的应力响应(峰值约0.02 MPa)和电阻变化信号。流变学测试证实该墨水具有剪切稀化特性，适合挤出式3D打印。打印测试显示墨水具有良好的形状保真度，铺展因子限制在12%左右。

水凝胶传感器适用于3D生物打印
细胞毒性测试表明，溶解在培养基中的PEDOT:PSS墨水在24小时暴露后对细胞活力影响极小(>90.2%)。研究人员将传感器墨水与成肌细胞负载的生物墨水共打印，形成厘米级的平面结构。与含聚吡咯(PPy)传感器的构建体相比，PEDOT:PSS传感器构建体显示出更高的细胞活力和更好的肌管形成能力。生物打印构建体比手工成型构建体细胞代谢活性增加350%，且保持了更好的结构精度。两种材料的肖氏硬度相近(约14-17)，确保了组织-传感器界面的机械相容性。传感器在5%应变下的信号幅度是PPy传感器的两倍(0.18±0.05 vs 0.09±0.03)，灵敏度为0.054每%应变。

水凝胶传感器支持多层生物打印和组织成熟
研究人员制造了厘米级的五层构建体，在不同Z平面上封装了两条传感器水凝胶线。使用明胶和纤维蛋白原基生物墨水提供粘度支持和结构稳定性。培养一天后，大多数细胞在传感器化构建体和对照构建体中均存活，并表现出伸长的形态，表明有效的基质重塑和肌源性分化。组织学分析显示成熟组织具有有序结构，传感器元件在组织成熟过程中保持完整。免疫荧光显示传感器周围区域形成了肌球蛋白重链(MyHC)阳性的肌纤维，肌管宽度和长度与对照无差异。

水凝胶传感器可构建复杂功能网络
电导测量显示，含PEDOT:PSS传感器的结构在生物打印24小时后电导显著高于对照组。在10天的培养过程中，传感器对1-10%应变范围的弯曲刺激保持稳定的压阻行为。压缩输入产生的信号输出大于弯曲应力。研究人员还打印了蛇形图案的传感器，在重复压缩应力下显示出与直线传感器设计相似的响应(~0.040-0.045相对电阻)。通过构建平面网格传感器图案，研究人员证明可以通过比较网格中各线的信号响应幅度来定位机械刺激的位置。

水凝胶传感器适用于动态组织培养
研究人员构建了定制化力学测试平台，用于在动态机械刺激下实时监测组织变形。传感器化组织构建体在循环拉伸(应变约33%，位移长度3 mm，速度1 mm/s)过程中显示出与施加应力同步的电阻变化。与非传感器化构建体相比，传感器化组织的信噪比(SNR)提高了约20 dB，证实了其在动态组织培养中的应用潜力。

这项研究开发了一种可生物打印的压阻性有机水凝胶，能够与生物打印的肌肉组织整合，实现实时、空间分辨的力学传感。生物相容性、可拉伸性和可打印的传感器在整个组织成熟过程中保持功能，能够检测和定位机械输入。通过将传感器直接集成到生物打印过程中，研究人员展示了一种无缝制造具有内置传感功能的复杂活体组织结构的方法。这种方法克服了传统生物传感器的主要限制(如刚性、组织整合差和后组装)，为原位应变传感提供了独特的可扩展和生物兼容解决方案。

该技术的创新性在于将柔软、生物相容的电子器件与先进生物制造相结合，标志着开发智能组织系统的关键一步，这些系统不仅能够复制生物功能，还能感知和适应环境。能够空间映射机械输入并实时监测整体和局部力的能力，为理解组织发育、结构重塑和机械转导提供了宝贵见解，这些是优化组织工程策略的关键参数。因此，这项技术在再生医学、药物发现、智能生物反应器设计和生物医学研究的可扩展方法等方面具有广阔的应用前景。