青島理工大學(xué)在3D打印柔性電極陣列及高性能細胞內(nèi)電生理記錄方面取得重要科研進展

來源：青島理工大學(xué)

近日，青島理工大學(xué)與浙江大學(xué)、北京航空航天大學(xué)科研團隊合作，在3D打印柔性電極陣列及細胞內(nèi)電生理記錄技術(shù)方面取得重要進展，相關(guān)成果以"3D-Printed Flexible Nanosilver Electrode Array for Parallel and Robust Intracellular Electrophysiological Recording"為題，發(fā)表在納米科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域國際權(quán)威期刊ACS Nano上（原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.5c01372），機械與汽車工程學(xué)院朱曉陽教授為第一通訊作者。

傳統(tǒng)納米電極陣列因制備工藝復(fù)雜、成本高昂，并在柔韌性和信號穩(wěn)定性方面存在局限，難以滿足心臟電生理學(xué)研究對高保真、高通量細胞內(nèi)動作電位記錄的需求。現(xiàn)有器件與細胞界面耦合效率低，且長期使用易引發(fā)細胞損傷，制約了其在藥物篩選和疾病機制研究中的應(yīng)用。針對這一挑戰(zhàn)，研究團隊創(chuàng)新性提出基于多材料電場驅(qū)動微噴射3D打印技術(shù)的柔性納米銀電極陣列（FlexNEA）器件，為心臟電生理記錄提供了突破性解決方案。

研究團隊開發(fā)的FlexNEA器件通過高精度3D打印工藝實現(xiàn)電極結(jié)構(gòu)定制化設(shè)計，結(jié)合納米銀材料的優(yōu)異導(dǎo)電性和柔性基底的低機械應(yīng)力特性，顯著提升了細胞-電極界面耦合效率。實驗表明，F(xiàn)lexNEA通過生物安全電穿孔技術(shù)可實現(xiàn)99%以上的細胞內(nèi)訪問成功率，其柔性特性使電極緊密貼合心肌細胞膜動態(tài)形變，獲得較傳統(tǒng)平面電極提升近3倍的動作電位幅值（圖1）。在連續(xù)5天的長期測試中，F(xiàn)lexNEA穩(wěn)定記錄到高信噪比（>20 dB）的胞內(nèi)信號，且經(jīng)高頻短時電穿孔操作后仍保持優(yōu)異性能。研究進一步驗證了該器件在藥物評估中的應(yīng)用潛力，成功捕捉到離子通道阻斷藥物處理后動作電位持續(xù)時間（APD50）、去極化速率等參數(shù)的細微變化，為精準(zhǔn)藥效評估提供了新工具。

用于細胞內(nèi)動作電位記錄的3D打印柔性納米銀電極陣列器件研制與表征

基于3D打印FlexNEA器件的電生理傳感-調(diào)控系統(tǒng)及心肌胞內(nèi)動作電位記錄

本研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、山東省泰山學(xué)者青年專家等項目的資助。ACS Nano是美國化學(xué)會（ACS）旗下頂級期刊，位列自然指數(shù)（Nature Index）收錄期刊，中國科學(xué)院期刊分區(qū)1區(qū)，最新影響因子為15.8。

此項研究突破了傳統(tǒng)微電極陣列的制造瓶頸，為心臟病學(xué)、神經(jīng)科學(xué)及藥物開發(fā)領(lǐng)域提供了低成本、高靈敏的生物電傳感平臺。FlexNEA的模塊化設(shè)計和大規(guī)模并行記錄能力，未來可拓展至類器官、腦機接口等前沿領(lǐng)域，推動個性化醫(yī)療與精準(zhǔn)藥理學(xué)研究發(fā)展。


團隊簡介

朱曉陽教授研究小組在團隊帶頭人蘭紅波教授的帶領(lǐng)下主要從事電子增材制造工藝及應(yīng)用方面的研究工作。目前主持國家自然科學(xué)基金面上項目、中央軍委裝備發(fā)展部重大成果轉(zhuǎn)化項目、泰山學(xué)者專項項目、山東省青創(chuàng)團隊項目等國家級及省部級項目10項。以第一及通訊作者在Progress in Materials Science、Advanced Materials、Nature Communications、ACS Nano、Advanced Science、Small、International Journal of Extreme Manufacturing、Additive Manufacturing、機械工程學(xué)報、中國科學(xué)等國內(nèi)外權(quán)威期刊公開發(fā)表SCI/EI論文66篇，包括ESI熱點/高被引/亮點論文/封面論文18篇/次，入選Small年度最佳論文1篇（4/1839），影響因子大于10以上的20篇。授權(quán)發(fā)明專利20項，在美國，新加坡等重要國際會議作邀請報告17次。相關(guān)成果獲得國際日內(nèi)瓦發(fā)明展金獎（排2）、青島市自然科學(xué)獎二等獎（排1）、青島市青年科技獎（排1）、中國發(fā)明協(xié)會發(fā)明創(chuàng)業(yè)獎創(chuàng)新獎二等獎（排1）、及山東省高等學(xué)校優(yōu)秀科研成果獎二等獎（排1）等獎勵。中科院一區(qū)期刊International JournalofExtreme Manufacturing、Research以及Soft Science等期刊青年編委，參與制定國家標(biāo)準(zhǔn)3項，兼任全國增材制造標(biāo)準(zhǔn)化委員會工藝分會委員，中國機械工程技術(shù)路線圖編寫委員會委員，復(fù)合材料學(xué)會增材制造專委會委員。主講課程入選山東省普通高等教育課程思政示范課程1門、山東省優(yōu)質(zhì)研究生專業(yè)學(xué)位教學(xué)案例庫1項、以及獲批“大國智造”教育部學(xué)位中心主題案例項目1項。指導(dǎo)學(xué)生獲得第十八屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)作品全國特等獎及十四屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃競賽全國金獎；指導(dǎo)本科生獲得國家級科創(chuàng)大賽一等獎及二等獎各1項，省部級科創(chuàng)大賽獎勵14項（包括一等獎4項），指導(dǎo)12名研究生獲得山東省優(yōu)秀碩士學(xué)位論文/國家獎學(xué)金，指導(dǎo)研究生獲得山東省優(yōu)秀科研成果獎一等獎2項，山東省研究生優(yōu)秀成果3項。