生物膜监测痛点：传统方法成本高且破坏样本

微生物生物膜是由胞外聚合物（EPS）包裹微生物形成的三维基质，每年在全球医疗、工业和自然环境中造成约 4万亿美元经济损失。传统监测方法存在显著缺陷：

微孔板实验（MTP）：依赖结晶紫染色，仅提供生物量总体数据，产生大量化学废物.

组织学染色+光学显微镜：无法早期检测且破坏生物膜结构。

现有电化学微流控设备：依赖光刻、等离子键合等高端设备，需洁净室环境，制造成本高昂

关键局限：现有技术均无法实现 非侵入式实时监测，导致无法在动态环境中及时干预生物膜形成。

 技术突破：3D打印模具+SPE电极实现可持续制造

研究团队提出 六步简易制造流程，核心创新在于：

材料革新

模具材料：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）

芯片主体：聚二甲基硅氧烷（PDMS）

电极：碳工作电极/对电极+银参比电极（BYT Technologies）

关键工艺

图 1 微流控器件制造示意图，b 微流控模具的 3D 设计;c 制造集成磨碎 SPE 微流控装置的分步程序

成本优势

表 1 显示了现有微流体制造技术与所提出的成本效益方法之间的全面比较

性能验证：多场景生物膜实时监测

1.检测原理

生物膜在电极表面生长会因其绝缘特性增加阻抗。通过 电化学阻抗谱（EIS） 在50mV振幅、1Hz-10kHz频率范围测量阻抗变化：阻抗变化率(%) = |Z(f,t) - Z(f,0)| / Z(f,0) × 100

其中Z(f,t)为时间t时的阻抗，Z(f,0)为初始阻抗。

2.动态生长曲线

图 2 仅对 BHI、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌、临床血液样本和废水样本进行基于阻抗的生物膜监测。阻抗变化以百分比表示。

3.生长阶段解析：

0-6h：细胞初始粘附

6-12h：微菌落形成

12-18h：EPS分泌加速（阻抗跃升40%+）

18-24h：生物膜成熟

4.显微镜验证

通过场发射扫描电镜（FE-SEM）确认：

空白组电极无生物膜

金黄色葡萄球菌：球形球菌嵌入EPS基质

白色念珠菌：菌丝状结构+EPS

废水样本：显著EPS分泌

图 3 无细胞 BHI、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌、临床血液样本和废水样本的 SEM 图像

5.核心性能参数

应用场景与可持续价值

多场景适用性

医疗领域：肺炎患者血液样本实时监测（AIIMS Raipur提供）

环保领域：印度Raipur废水样本（COD 434 mg/L, BOD 189 mg/L）

环境效益

比传统方法减少 90%化学废物（仅需200μL样本）

SPE电极可重复使用 70次以上

能耗降低（便携恒温装置自动控温37℃）

经济性

设备制造成本降至传统技术的 1/5，使资源有限实验室可实现生物膜研究。

局限与未来方向

当前局限

无法区分微生物种类

仅测试单一细菌（金黄色葡萄球菌）和真菌（白色念珠菌）

未来优化

整合可降解3D打印材料

开发物种识别功能

拓展抗生物膜药物筛选平台

原文链接：https://doi.org/10.1007/s10404-025-02804-9