美國佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系Vladimir V.Tsukruk教授課題組利用MicroFab Technologies公司的Jetlab?Ⅱ（配置*0μm直徑的噴頭）噴墨打印系統(tǒng)，簡便地制造了生物相容性絲“巢”的微觀陣列，用于承載生物傳感器的活細(xì)胞，噴頭的兼容性強(qiáng)，所以可以選取生物相容性材料輕松形成多路微觀陣列，并固定不同的細(xì)胞，以進(jìn)一步探索多路生物傳感微陣列，用于多種化學(xué)和生物物種的生物檢測。

介紹

在生物傳感領(lǐng)域，制造有機(jī)聚合物或生物材料的大規(guī)模功能陣列是一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)，絲素蛋白因其優(yōu)異的物理、化學(xué)和生物性能成為陣列形成最有前景材料之一，噴墨打印作為很有前途的圖案化工藝，廣泛應(yīng)用于在微觀水平上制造復(fù)雜陣列。美國佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系Vladimir V.Tsukruk教授課題組通過將兩者優(yōu)勢的結(jié)合，輕松制造了生物相容性的聚賴氨酸和聚谷氨酸側(cè)鏈化學(xué)修飾的蠶絲“巢”的微觀陣列，能夠為未來的生物傳感器承載活細(xì)胞。噴墨打印與LbL技術(shù)相結(jié)合，利用生物材料制造具有受控局部厚度的圖案。制備的微觀陣列直徑為*0?100μm，厚度為幾百納米，通過離子配對和形成直徑為*0?100μm的環(huán)狀LbL結(jié)構(gòu)得到穩(wěn)定，在剛性（玻璃）和柔性（聚合物）基底上產(chǎn)生具有明確邊緣的特征“巢”形態(tài)。在細(xì)胞生長介質(zhì)培養(yǎng)過程中，這些“鎖定”的巢仍然固定在底物上，從而為不影響生物細(xì)胞的活力提供了一個生物相容性的平臺。

如圖1所示，上面為用于細(xì)胞封裝的噴墨輔助絲陣列的制造工藝；為初步研究這些絲陣列用于細(xì)胞封裝的適用性，根據(jù)制造工藝，將大腸桿菌直接噴墨打印在6×6陣列的預(yù)印絲陣列上，圖1下面為帶有封裝細(xì)胞的絲陣列的光學(xué)圖像。

▲ 圖1

由0.*和1mg/mL和1、*和*雙層絲溶液制備的典型絲結(jié)構(gòu)的表面形態(tài)如圖2所示。最初的絲區(qū)域是均勻的，較厚的區(qū)域顯示出明顯的聚集，這是絲材料在低溶液濃度的固體基質(zhì)上的常見行為，因為絲分子容易形成納米纖維束和球狀聚集，分子間具有強(qiáng)烈的相互作用。增加絲溶液濃度和沉積循環(huán)次數(shù)導(dǎo)致了更均勻的圓形絲區(qū)域（如圖2和*）。所有具有不同數(shù)量的絲雙層的點狀沉積絲區(qū)域都具有特有的“巢”形狀。這些區(qū)域的橫截面（圖2D?E）顯示了升高的邊緣（1個雙層區(qū)域的4*0nm高度）和中心區(qū)域（1*0nm；圖2D）。這種“巢”形狀明顯，可以通過調(diào)節(jié)蒸發(fā)速率、溶液來控制絲點的整體形態(tài)濃度和干燥溫度。

▲ 圖2

▲ 圖*

由0.*mg/mL和1mg/mL具有不同雙層數(shù)的絲溶液制成的絲巢中心厚度如圖4所示，從中心區(qū)域的橫切面測量，這些絲巢的厚度從100增加到600nm，雙層膜數(shù)量從1增加到*，溶液濃度也在增加。在噴墨沉積過程中，絲區(qū)域的特征與傳統(tǒng)的LbL薄膜相似，其線性狀態(tài)由離子對相互作用控制。然而，平均每雙層11*納米的厚度遠(yuǎn)高于其他LbL薄膜的平均厚度。這種過量的材料并不會降低，并且隨后轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的巢形態(tài)。為了測試絲巢陣列在液體培養(yǎng)基中以進(jìn)一步封裝細(xì)胞的穩(wěn)定性，將陣列在SMM培養(yǎng)基中暴露不同的時間（如圖*）。暴露于細(xì)胞培養(yǎng)基12小時后，絲巢陣列的一般形狀保持完整。根據(jù)不同放大倍數(shù)下收集的絲點的AFM圖像，在SMM介質(zhì)中部分去除多余的絲材料（如圖6）。

▲ 圖4

▲ 圖*

▲ 圖6

為了初步研究這些絲巢陣列對細(xì)胞封裝的適用性，根據(jù)制作過程，將大腸桿菌以6×6的絲巢陣列直接打印在預(yù)印的絲巢陣列上并完成封裝過程。光學(xué)顯微鏡顯示，噴墨打印的大腸桿菌細(xì)胞可以一致地包裹在絲點中（如圖*）。包裹的細(xì)胞擴(kuò)散局限于圓形絲巢區(qū)域，注射的細(xì)胞被限制在絲區(qū)域的邊緣，作為細(xì)胞在整個基質(zhì)上擴(kuò)散的自然屏障（見圖*中的高分辨率光學(xué)圖像）。此外，AFM圖像證實了單個圓形絲區(qū)域內(nèi)的細(xì)胞包裹高密度，以及在撞擊和絲預(yù)處理的巢狀區(qū)域上沉積后，保留了其特有的圓柱形（圖8）。

▲ 圖*

▲ 圖8

結(jié)論

噴墨打印方法被證明用于形成絲巢的微觀陣列，能夠承載細(xì)胞，應(yīng)用于生物傳感。噴墨輔助的LbL多層結(jié)構(gòu)實驗中，利用陰離子和陽離子側(cè)鏈的離子離聚絲材料可成功形成絲纖維蛋白LbL多層區(qū)域，并研究探索了多達(dá)400個絲點，直徑約為100μm，平均厚度為100?600nm，噴墨打印過程形成的典型巢形，在細(xì)胞培養(yǎng)基中，這些“鎖定”的絲巢仍然固定在基質(zhì)上，提供了一個生物相容性、有組織的平臺，并且噴墨打印技術(shù)可以輕易地用于制造更大的陣列，超過在這里制造的20×20陣列。噴墨打印技術(shù)展示了通用和大規(guī)模制造生物相容性點陣列模板的潛力，其兼容性使其可以選取生物相容性材料輕松形成多路微觀陣列，并固定不同的細(xì)胞，以進(jìn)一步探索多路生物傳感微陣列，用于多種化學(xué)和生物物種的生物檢測。

資料來源：

[1] Suntivich Rattanon, Drachuk Irina, Calabrese Rossella, et al. Inkjet Printing of Silk Nest Arrays for Cell Hosting[J]. Biomacromolecules. 2014,1*,(4):1428-14**.