3D 打印血管微組織傳感器，讓魚過敏原無所遁形

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在過去幾十年，食品過敏引發(fā)諸多公共健康事件，預防過敏的關鍵在于對食品過敏原進行早期預警和快速檢測。魚類營養(yǎng)豐富，但也是常見的過敏原，魚副肌球蛋白是魚類主要過敏原，會對特殊人群造成嚴重過敏反應。  

目前，生物傳感器雖成為食品安全檢測的新手段，但多數(shù)電化學細胞傳感器為2D細胞培養(yǎng)模式，存在忽略細胞三維培養(yǎng)、難以模擬體內(nèi)過敏環(huán)境的問題。部分研究用凝膠材料實現(xiàn)細胞三維空間排列，但手動操作誤差影響傳感器靈敏度和重復性。  

南京財經(jīng)大學的王立峰、蔣棟磊教授團隊，運用EFL3D生物打印技術(shù)設計并制備了一種新型血管微組織電化學傳感器，用于魚副肌球蛋白的檢測和評估。該技術(shù)實現(xiàn)了仿生血管微組織結(jié)構(gòu)的高通量、標準化構(gòu)建，能模擬過敏原進入人體后的自然反應，反映細胞致敏前后的生理功能變化。  相關工作以“3D bio-printing-based vascular-microtissue electrochemical biosensor for fish parvalbumin detection”為題發(fā)表在《Food Chemistry》上，為解決食品過敏原檢測難題提供了新途徑。

研究內(nèi)容
1. 血管微組織和復合水凝膠的表征
通過3D建模、掃描電子顯微鏡（SEM）以及激光共聚焦掃描顯微鏡（CLSM）等研究方法，對以10%（w/v）GelMA為生物墨水基底材料3D打印的血管微組織及其復合水凝膠進行研究。結(jié)果表明，GelMA水凝膠內(nèi)部具有較為致密的多孔網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，為細胞提供了附著位點，且內(nèi)部孔隙均勻排列，有利于營養(yǎng)物質(zhì)運輸和細胞代謝廢物排出。細胞能夠很好地附著在水凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)上，并在三維空間中均勻分布，這證明了水凝膠選擇、生物墨水制備以及血管模型設計的可行性與有效性。

圖1. 血管微組織和復合水凝膠的表征。

圖2. 血管微組織的共聚焦激光掃描顯微鏡表征。

2. 修飾電極的表征
運用掃描電子顯微鏡（SEM）、循環(huán)伏安法（CV）和差分脈沖伏安法（DPV）等方法，對金和Cu - MOF修飾的石墨棒電極進行研究。結(jié)果顯示，金和Cu - MOF成功修飾到電極表面，從SEM圖像可看到電極表面有致密且相對均勻的金顆粒。通過CV和DPV測試可知，修飾后的電極與未修飾前相比，氧化還原峰更明顯，峰電流顯著增大。修飾電極的有效電活性表面積增大，這表明電極修飾成功且顯著提升了電極的電化學性能。

圖3. 修飾電極的表征。  

3. 傳感器的表征與優(yōu)化
采用循環(huán)伏安法（CV）、差分脈沖伏安法（DPV）和電化學阻抗譜（EIS）等研究方法，對不同修飾材料以及細胞濃度對傳感器性能的影響進行研究并優(yōu)化。結(jié)果表明，添加導電材料PDA - MWCNT可提升水凝膠的導電性，其濃度在0 - 2.0mg/mL范圍內(nèi)時，導電水凝膠的DPV峰電流逐漸增大，在2.0mg/mL時達到最佳。通過EIS建立細胞濃度與阻抗的關系，發(fā)現(xiàn)細胞濃度在1×10² cell/mL到1×10⁶ cell/mL范圍內(nèi)，與阻抗值呈正相關，線性方程為y = 1483x + 5847，相關系數(shù)為0.988，最終選定1×10⁶ cells/mL作為后續(xù)實驗的細胞濃度，成功構(gòu)建了性能良好的電化學傳感器。

圖4. 傳感器的表征與優(yōu)化。  

4. 微組織傳感器對魚副肌球蛋白的電化學檢測
利用差分脈沖伏安法（DPV），以經(jīng)魚白蛋白IgE抗體激活肥大細胞構(gòu)建的血管微組織電化學傳感器為研究對象，檢測不同濃度的魚副肌球蛋白。結(jié)果顯示，在0.1 - 4.0μg/mL范圍內(nèi)，傳感器的峰電流隨魚副肌球蛋白濃度增加而增大，當魚副肌球蛋白濃度在0.1 - 2.5μg/mL時，與峰電流呈線性關系，標準曲線方程為IDPV(μA)=31.30 + 5.46CPV(μg/mL)，相關系數(shù)R² = 0.990。根據(jù)檢測限計算公式LOD = 3 × s / b（s為空白樣品的標準偏差，b為標準曲線的斜率），計算得到檢測限為0.065μg/mL，表明該傳感器用于檢測魚副肌球蛋白具有可行性。

圖5. 微組織傳感器對魚副肌球蛋白的電化學檢測。

研究結(jié)論
本研究利用3D生物打印技術(shù)開發(fā)了一種仿生血管微組織傳感器。通過模擬人體血管結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了血管微組織的高通量、標準化制備。將這些微組織安裝在經(jīng)金和Cu-MOF修飾的石墨棒電極上，構(gòu)建出新型仿生微組織電化學傳感器，用于有效檢測魚副肌球蛋白。采用差分脈沖伏安法測定不同濃度的魚副肌球蛋白，線性檢測范圍為0.1 - 2.5μg/mL，檢測限為0.065μg/mL，相關系數(shù)為0.990（n=5）。3D生物打印技術(shù)顯著縮短了電化學傳感器的構(gòu)建時間，降低了制備成本。該方法為模擬人體真實反應提供了新的仿生微組織傳感策略，彌補了2D細胞培養(yǎng)的不足，是一種定量快速檢測過敏原的新方法，在食品安全風險預防方面具有應用價值。

挑戰(zhàn)與展望
本研究雖成功制備3D生物打印血管微組織電化學傳感器用于檢測魚副肌球蛋白，但仍面臨挑戰(zhàn)。在傳感器性能方面，檢測限和靈敏度雖能滿足部分需求，但對于更低濃度過敏原檢測，還有提升空間；特異性上，復雜食品基質(zhì)中可能存在干擾物質(zhì)影響檢測準確性。從實際應用看，傳感器穩(wěn)定性和重復性需在長期使用中進一步驗證，且尚未廣泛應用于食品檢測行業(yè)，其實際適用性和可靠性還需大量實踐檢驗。未來可優(yōu)化材料組合與制備工藝提升傳感器性能，增強其在復雜環(huán)境下檢測能力。加強與食品檢測行業(yè)合作，開展更多實際樣品檢測研究，推動傳感器標準化和商業(yè)化進程，使其成為食品安全檢測常規(guī)工具，為預防食品過敏風險發(fā)揮更大作用。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2024.138799