4分钟完成设备制作：3D打印柔性电极实现细胞内动作电位长期监测

研究背景

目前心血管疾病死亡人数占据全球总死亡人数的31%（数据来源于WHO）。而在心血管疾病中，离子通道功能异常有80%会导致心律失常。所以对于监测心肌细胞的电活动对于了解心脏电生理学、研究疾病机制和制定治疗策略至关重要。传统的评估心肌细胞电信号生成和传播的方法包括膜片钳技术、平面微电极阵列(MEA)、光学记录等，但他们存在通量低、复杂性、侵入性、毒性等多种限制因素。推进可扩展的细胞内电生理生物传感技术并提高其时空分辨率已经成为细胞电生理学研究的重点。

此项研究利用多材料电场驱动微喷射3D打印技术开发了一种 3D 打印的柔性纳米银电极阵列 （FlexNEA）（图 1A）。当与自主开发的集成生物传感调节平台结合使用时，FlexNEA 可通过多种生物安全电穿孔从培养的心肌细胞中实现可靠、平行和稳定的 iAP 记录，并具有出色的信号质量。此外，FlexNEA 可有效检测靶向离子通道的细微药物诱导的 iAP 变化，并促进精确的多剂量药物评估，为高级心脏病学研究提供有价值的工具。

图1 3D 打印 FlexNEA 的制造和表征及其在心肌细胞细胞内记录中的应用

研究原理

此传感器类似一种三明治的结构，其构建流程如下：

图2A表示原代心肌细胞的免疫荧光特征，突出了特异性心肌细胞标志物蛋白心肌肌钙蛋白 T的表达，表明细胞群的高纯度。为了确定芯片上功能整合所需的最佳细胞状态，在单层和多层培养条件下进行形态学和功能评估：在单层构型中，心肌细胞表现出均匀和有节奏的收缩，与在多层培养物中观察到的杂乱无章和加速的跳动形成相反，支持在实验设置下形成功能汇合的单层。如图 2B 所示，与 3D 打印 FlexNEA 偶联的心肌细胞的 SEM 图像显示，细胞与纳米银电极表面形成密切的物理接触。培养3天后，心肌细胞开始自发产生动作电位，这些动作电位通过细胞间隙连接处传播。这使得电信号能够快速传播到相邻的单元，从而导致同步收缩。在电穿孔之前，3D 打印的 FlexNEA 有助于检测心肌细胞的自发细胞外场电位，平均振幅约为 265 μV（图 2E（i））。电穿孔暂时增强了细胞膜的通透性，降低了细胞-电极界面的阻抗，并大大提高了 3D 打印 FlexNEA 记录的信号质量。电穿孔后，信号振幅增加到 2.32 mV，显示出与 iAP 特征的去极化、复极化和静止状态相对应的不同相位（图 2E（ii，iii））。进一步的统计分析表明，电穿孔后产生的细胞内信号的平均振幅比电穿孔前记录的细胞外信号振幅高约 214%（图 2F）。这种显著差异强调了电穿孔后信号质量的增强，从而证明了捕获 iAP 的记录性能和灵敏度的提高。此外，明场图像和活/死染色结果证实，在 3D 打印的 FlexNEA 上培养的心肌细胞保留了出色的活力（图 2G），突出了该设备卓越的生物相容性和电穿孔过程的生物安全性。

图2 通过3D打印的FlexNEA设备对APs进行细胞内记录

研究亮点

通过3D打印的技术，仅仅需要4分钟即可完成32通道电路的打印，效率远高于传统光刻（需要5天）。并且心肌细胞膜紧密包裹纳米银电极，形成三维嵌合结构，显著降低界面阻抗；此外，传感器能够连续5天稳定获取动作电位，在20次电穿孔后细胞活性仍保持102%，对细胞的损伤很小，有助于后续开发相关疾病的监测设备。

总结与展望

本文采用多材料微喷射3D打印技术成功开发出了一种新颖的FlexNEA设备，结合自主开发的集成生物传感调节电生理系统，通过微创电穿孔对原代心肌细胞的AP进行灵敏的细胞内记录，该设备结合了柔韧性和机械耐久性，以减少电穿孔过程中的蜂窝界面应力。通过在多位点细胞-纳米电极界面上应用电穿孔触发的渗透来实现高产率的细胞内通路。连续 5 天的电穿孔和 5 个快速连续的电穿孔循环的结果表明，3D 打印的 FlexNEA 在保持稳定的信号振幅和质量方面的卓越性能。相比之下，传统的平面电极在类似条件下表现出明显的信号衰减。这种灵敏、耐用和微创的记录策略为心脏病学和神经科学中的高保真、长期细胞内电生理研究和药物筛选提供了巨大的潜力。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c01372