可定制化气溶胶喷射打印多电极阵列：构建3D打印器官型生物电子界面的创新策略

这篇研究突破性地采用气溶胶喷射打印（AJP）技术，在柔性聚酰亚胺基底上制备全金生物相容性多电极阵列（MEA），将传统光刻工艺时间从320分钟缩短至175分钟，电极阻抗低至0.05 kΩ·μm?2（1 kHz）。通过聚（3,4-乙烯二氧噻吩）/聚苯乙烯磺酸（PEDOT/PSS）涂层将电荷注入容量提升3倍，并实现C2C12成肌细胞（70-80%存活率）电刺激定向排列，成功记录原代皮层神经元（信噪比20.89 dB）和HL-1心肌细胞（16.62 dB）电信号，为器官型组织模型提供了可定制化生物电子接口新范式。

　　

2D与共形多电极阵列的可定制化制备：3D打印器官型生物电子界面

1 引言

现代3D器官型培养模型在生物医学研究中具有核心价值，而多电极阵列（MEA）是研究电活性组织功能的关键工具。传统光刻法制备MEA存在成本高、耗时长（约320分钟）、难以适应3D结构等缺陷。气溶胶喷射打印（AJP）技术通过直接沉积金纳米颗粒（AuNP）墨水，将制备时间缩短45%，材料浪费减少90%，为快速定制MEA提供了新思路。

2 结果与讨论

2.1 MEA设计与打印

研究采用AJP在25 μm厚聚酰亚胺基底上打印25个圆形记录电极（直径250 μm）和4个矩形刺激电极（4×1.5 mm）。扫描电镜显示电极表面呈现颗粒状微观结构，这种形貌可增加电化学活性面积。与光刻法相比，AJP省去了掩模对齐、湿法蚀刻等步骤，单器件仅消耗20 μL金墨水，而传统方法需50 mL化学试剂。

2.2 电化学性能

电化学阻抗谱（EIS）显示：

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  裸金记录电极阻抗为2473±726 Ω（1 kHz），经PEDOT/PSS修饰后降至151±19 Ω

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  电荷注入容量（CIC_max）从7.5±0.6 mA·cm^?2提升至31.8±0.4 mA·cm^?2

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  在生理条件下稳定工作14天，经20万次电脉冲后仍保持性能

2.3 细胞相容性与电刺激

将C2C12细胞封装在10%甲基丙烯酰化明胶（GelMA）中直接3D打印到MEA上，7天后存活率达70-80%。施加1 Hz双向脉冲（1 mA，5 ms脉宽）7天后，细胞排列角度呈现-7.5°偏转，显著区别于随机分布的对照组（0°）。

2.4 电生理记录

在聚-D-赖氨酸（PDL）修饰的MEA上：

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  原代皮层神经元动作电位幅值达-80 μV，信噪比20.89 dB

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  HL-1心肌细胞信号特征与文献报道一致，信噪比16.62 dB

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  柔性MEA可贴合3D打印的脑/心脏模型曲面

2.5 3D共形应用

将MEA弯曲成3mm直径圆柱体，配合数字光处理（DLP）打印的GelMA-PEGDA导管，电刺激5天使C2C12细胞沿导管壁形成致密排列的肌纤维束，证实其在三维组织工程中的适用性。

3 结论

该研究建立了AJP制备全金MEA的技术标准，其快速定制、低阻抗和生物相容性特点，为发展器官芯片、可植入设备等提供了新工具。未来通过优化打印参数和导电聚合物涂层，可进一步拓展在癫痫模型、心脏病理研究等领域的应用。

4 实验方法

关键技术包括：

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  AuNP墨水打印参数：8 mm/s速度，50℃基底温度，25 sccm鞘气流

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  300℃烧结1小时形成连续导电层

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  PEDOT/PSS电沉积条件：+0.9 V恒电位，100 mC·cm^?2沉积量

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  电生理记录使用INTAN RHS系统，30 kHz采样率