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介绍

在生物传感领域，制造有机聚合物或生物材料的大规模功能阵列是一个关键挑战，丝素蛋白因其优异的物理、化学和生物性能成为阵列形成 有前景材料之一，喷墨打印作为很有前途的图案化工艺，广泛应用于在微观水平上制造复杂阵列。美国佐治亚理工学院材料科学与工程系Vladimir V.Tsukruk教授课题组通过将两者优势的结合，轻松制造了生物相容性的聚赖氨酸和聚谷氨酸侧链化学修饰的蚕丝“巢”的微观阵列，能够为未来的生物传感器承载活细胞。喷墨打印与LbL技术相结合，利用生物材料制造具有受控局部厚度的图案。制备的微观阵列直径为70−100μm，厚度为几百纳米，通过离子配对和形成直径为70−100μm的环状LbL结构得到稳定，在刚性（玻璃）和柔性（聚合物）基底上产生具有明确边缘的特征“巢”形态。在细胞生长介质培养过程中，这些“锁定”的巢仍然固定在底物上，从而为不影响生物细胞的活力提供了一个生物相容性的平台。

如图1所示，上面为用于细胞封装的喷墨辅助丝阵列的制造工艺；为初步研究这些丝阵列用于细胞封装的适用性，根据制造工艺，将大肠杆菌直接喷墨打印在6×6阵列的预印丝阵列上，图1下面为带有封装细胞的丝阵列的光学图像。

▲  图1

由0.5和1mg/mL和1、3和5双层丝溶液制备的典型丝结构的表面形态如图2所示。最初的丝区域是均匀的，较厚的区域显示出明显的聚集，这是丝材料在低溶液浓度的固体基质上的常见行为，因为丝分子容易形成纳米纤维束和球状聚集，分子间具有强烈的相互作用。增加丝溶液浓度和沉积循环次数导致了更均匀的圆形丝区域（如图2和3）。具有不同数量的丝双层的点状沉积丝区域都具有“巢”形状。这些区域的横截面（图2D−E）显示了升高的边缘（1个双层区域的430nm高度）和中心区域（150nm；图2D）。这种“巢”形状明显，可以通过调节蒸发速率、溶液来控制丝点的整体形态浓度和干燥温度。

▲  图2                                                                                                          ▲  图3

由0.5mg/mL和1mg/mL具有不同双层数的丝溶液制成的丝巢中心厚度如图4所示，从中心区域的横切面测量，这些丝巢的厚度从100增加到600nm，双层膜数量从1增加到5，溶液浓度也在增加。在喷墨沉积过程中，蚕丝区域的特征与传统的LbL薄膜相似，其线性状态由离子对相互作用控制。然而，平均每双层115纳米的厚度远高于其他LbL薄膜的平均厚度。这种过量的材料并不会降低，并且随后转换为稳定的巢形态。为了测试丝巢阵列在液体培养基中以进一步封装细胞的稳定性，将阵列在SMM培养基中暴露不同的时间（如图5）。暴露于细胞培养基12小时后，丝巢阵列的一般形状保持完整。根据不同放大倍数下收集的丝点的AFM图像，在SMM介质中部分去除多余的丝材料（如图6）。

▲  图4

▲  图5

▲  图6

为了初步研究这些丝巢阵列对细胞封装的适用性，根据制作过程，将大肠杆菌以6×6的丝巢阵列直接打印在预印的丝巢阵列上并完成封装过程。光学显微镜显示，喷墨打印的大肠杆菌细胞可以一致地包裹在丝点中（如图7）。包裹的细胞扩散局限于圆形丝巢区域，注射的细胞被限制在蚕丝区域的边缘，作为细胞在整个基质上扩散的自然屏障（见图7中的高分辨率光学图像）。此外，AFM图像证实了单个圆形丝区域内的细胞包裹高密度，以及在撞击和丝绸预处理的巢状区域上沉积后，保留了其圆柱形（图8）。

▲  图7

▲  图8

结论

喷墨打印方法被证明用于形成丝巢的微观阵列，能够承载细胞，应用于生物传感。喷墨辅助的LbL多层结构实验中，利用阴离子和阳离子侧链的离子离聚丝材料可成功形成丝纤维蛋白LbL多层区域，并研究探索了多达400个丝点，直径约为100μm，平均厚度为100−600nm，喷墨打印过程形成的典型巢形，在细胞培养基中，这些“锁定”的丝巢仍然固定在基质上，提供了一个生物相容性、有组织的平台，并且喷墨打印技术可以轻易地用于制造更大的阵列，超过在这里制造的20×20阵列。喷墨打印技术展示了通用和大规模制造生物相容性点阵列模板的潜力，其兼容性使其可以选取生物相容性材料轻松形成多路微观阵列，并固定不同的细胞，以进一步探索多路生物传感微阵列，用于多种化学和生物物种的生物检测。

参考文献：

[1]Suntivich Rattanon, Drachuk Irina, Calabrese Rossella, et al. Inkjet Printing of Silk Nest Arrays for Cell Hosting[J]. Biomacromolecules. 2014,15,(4):1428-1435.