浙大胡宁、秦春莲/青岛理工朱晓阳/北航胡靓等合作ACS Nano：3D打印柔性纳米银电极阵列用于细胞内电生理记录的研究

摘要：心脏电生理学，特别是细胞内动作电位记录，对于促进心血管疾病机制研究和治疗策略开发至关重要。纳米电极阵列结合多样化的膜穿透策略，可以实现高灵敏的细胞内电信号记录，但传统的纳米电极阵列器件研制工艺复杂且成本高，限制了其更广泛的生物医学研究应用。因此，开发低成本、简

心脏电生理学，特别是细胞内动作电位记录，对于促进心血管疾病机制研究和治疗策略开发至关重要。纳米电极阵列结合多样化的膜穿透策略，可以实现高灵敏的细胞内电信号记录，但传统的纳米电极阵列器件研制工艺复杂且成本高，限制了其更广泛的生物医学研究应用。因此，开发低成本、简化和高效的细胞内电生理传感器件备受瞩目。近年来，3D打印作为一种新兴技术，通过提供精确的结构控制、材料的多功能性和简化的制造工艺，促进了生物电子学的发展。

近期，浙江大学医学院附属儿童医院秦春莲研究员、浙江大学化学系与医学院附属儿童医院双聘研究员胡宁、青岛理工大学朱晓阳教授、北京航空航天大学胡靓教授利用多材料电场驱动微喷射3D打印技术开发了一种柔性纳米银电极阵列（FlexNEA）器件，可以在几分钟内实现简单高效的电路制造，通过电穿孔实现了高达99%以上的细胞内访问成功率，可用于并行和稳健的细胞内电生理记录。该研究所开发的3 D打印FlexNEA器件和集成的生物传感调控平台为高保真心脏电生理细胞内记录提供了一种创新的技术方案，推动了低成本、良好生物相容性的纳米电极阵列系统在心脏病学和药理学等研究领域的应用发展。该工作以“3D-Printed Flexible Nanosilver Electrode Array for Parallel and Robust Intracellular Electrophysiological Recording”为题，发表在《ACS Nano》期刊。

【图文解析】

图1 .用于细胞内动作电位记录的3 D打印柔性纳米银电极阵列器件研制与表征。（A）通过纳米银电极阵列增强电穿孔进行心肌细胞内记录的3D打印FlexNEA电生理传感平台示意图；（B）3D打印FlexNEA器件的制造工艺流程，通过多材料电场驱动（EFD）微喷射3D打印技术直接打印纳米银在PDMS基底上；（C）3D打印FlexNEA的光学图像，其中（i）3D打印FlexNEA的布局；（ii）32 通道工作电极的交叉排布，比例尺= 500μm；（D）3D打印FlexNEA单个电极的SEM图；（E）纳米银电极表面形貌的SEM图；(F)3D打印FlexNEA的电化学阻抗谱( N = 18)。

图2 .基于3D打印FlexNEA器件的电生理传感-调控系统及心肌胞内动作电位记录。(A)心肌肌钙蛋白T（cTnT，绿色）和细胞核（蓝色）的免疫染色图像；(B)心肌细胞与3D打印FlexNEA器件耦合的SEM图像；(C)自主研发的电生理传感-调控集成系统的系统框图，包括3D打印FlexNEA器件、电脉冲电穿孔模块、电信号调理模块、数据采集卡模块和自定义LabVIEW程序模块；(D)3D打印FlexNEA器件与电生理传感-调控集成系统实物图；(E)心肌细胞在电穿孔前后的（i）胞外与(ii)胞内电信号记录，（iii）单个细胞内动作电位放大图;(F)心肌细胞电穿孔前后的胞外与胞内电信号幅值统计分析图（N = 65，****，P

图3 .利用3D打印FlexNEA连续五天电穿孔稳定记录心肌胞内动作电位。利用3D打印FlexNEA连续五天电穿孔稳定记录心肌胞内动作电位。(A)连续5天电穿孔前后记录的心肌细胞代表性胞外与胞内电信号；连续5 天电穿孔后，32 通道的心肌细胞胞内动作电位(B)幅值热图与（C）发放频率热图；(D)电穿孔后，利用3D打印FlexNEA同步记录的3 2 通道胞内动作电位展示；(E)连续5 天电穿孔胞外与胞内信号幅值的对比分析（N≥24 ）；(F)连续5 天电穿孔胞外与胞内信号发放频率的对比分析（N≥24 ）；(G)连续5 天电穿孔胞内信号的信噪比统计分析（N≥24 ）；(H)连续5 天电穿孔胞内信号的APD50 统计分析（N≥24 ）。

图4 . 利用3D打印FlexNEA短期连续电穿孔对心肌细胞进行稳健细胞内记录。采用（A）平面微电极阵列器件和（B）3D打印FlexNEA器件在短时间内连续五次电穿孔后，从同一电极记录到的心肌细胞胞内动作电位，(B(i–v))虚线框区域的局部放大图；采用(C)平面微电极阵列器件和（D）3D打印FlexNEA器件在短时间内连续五次电穿孔后，32 通道心肌细胞细胞内动作电位幅值变化的热图；(E)使用平面微电极阵列器件与3D打印FlexNEA器件进行五次连续电穿孔后，细胞内动作电位幅值变化的统计分析（N≥20 ）；(F)使用平面微电极阵列器件与3D打印FlexNEA器件进行五次连续电穿孔后，胞内动作电位的信噪比统计分析（N≥26 ）。

图5 . 利用3D打印FlexNEA对离子通道药物效应精准定量评估。（A）利多卡因（Ib类Na⁺通道阻滞剂）和奎尼丁（Ia类Na⁺通道阻滞剂、IKr通道阻滞剂）作用下的细胞内动作电位响应示意图；（B）在施加2 、10 和20μM利多卡因前后的代表性胞内动作电位信号；（C）在施加2 、20 和50 μM奎尼丁前后的代表性胞内动作电位信号；（D）单个动作电位的放大图显示了去极化的幅度、时程和速率在对照组（灰色）与处理组（利多卡因为蓝色曲线；奎尼丁为红色曲线）之间的变化；分别施加不同浓度的（E）利多卡因（2 、10 、20 μM）和（F）奎尼丁（2 、20 、50 μM）前后胞内动作电位发放频率的统计分析（N≥15 ）；施加不同浓度的（G）利多卡因（2 、10 、20 μM）和（H）奎尼丁（2 、20 、50 μM）前后胞内动作电位幅值的统计分析（N≥15 ）；施加不同浓度的（I）利多卡因（2 、10 、20 μM）和（J）奎尼丁（2 、20 、50 μM）前后胞内动作电位APD50 的统计分析（N≥15 ）；施加不同浓度的（K）利多卡因（2 、10 、20 μM）和（L）奎尼丁（2 、20 、50 μM）前后胞内动作电位去极化速率的统计分析。

小结

本研究利用多材料电场驱动微喷射3D打印技术开发了一种新型的FlexNEA器件，为微纳传感器件的制造提供了简单、高效且低成本的策略。结合自主研发的集成生物传感-调控电生理系统，通过微创电穿孔对心肌细胞实现了灵敏的细胞内动作电位记录。3D打印的FlexNEA集成了灵活性与机械耐久性，有效降低了电穿孔过程中细胞界面的机械应力，在多次连续电穿孔中展现了出色的稳定性、生物相容性以及对动态细胞环境的适应性。FlexNEA在可扩展制造、可重复的细胞内访问以及高质量胞内信号记录和精准药效评估方面的优势，使其在心脏病学和神经科学领域的药物筛选和精准治疗应用中展现出广阔前景。

主要作者简介

胡宁（通讯作者）

胡宁，现为浙江大学化学系“百人计划”研究员，博士生导师、浙江大学杭州国际科创中心研究员、浙江大学医学院附属儿童医院研究员、国家儿童健康与疾病临床医学研究中心研究员，本硕博毕业于浙江大学生物医学工程专业，后前往哈佛大学、麻省理工学院、塔夫茨大学开展博士后研究工作。十余年来专注于生物医学传感与纳米科学技术交叉学科领域，坚持以探索微纳生物医学传感研究与技术的创新、突破技术与仪器的瓶颈、打破国外技术与产品的垄断为目标，系统性地发展了生物医学传感核心的生物模型、试剂、器件、技术与系统。目前，共主持国家自然科学基金国际合作研究项目、面上项目、国际合作交流项目、青年项目、教育部人才培养项目、省自然重点项目、省自然面上项目、企事业横向项目等30多项，参与国家自然科学基金委、国家海洋局等重大科研仪器研制类项目10 多项。相关成果已在国际知名期刊Nature Reviews Gastroenterology and Hepatology (IF=45.9)、Biosensors and Bioelectronics (IF=10.7)、ACS Nano (IF=15.8)、Nano Letters (IF=9.6)、Nano-Micro Letters (IF=31.6)、Advanced Functional Materials (IF=18.5)、PNAS (IF=11.1)、Chemical Reviews (IF=51.4)、Advanced Materials (IF=27.4)、Advanced Healthcare Materials (IF=10.0)等共发表SCI论文120多篇，其中通讯作者80 多篇；授权发明专利20 多项，转让4 项；基于生物医学传感技术的研究成果撰写中英文著作5 部；有关生物医学传感技术的研究与应用成果分别获得教育部技术发明二等奖与自然科学二等奖，并担任中国生物医学工程学会生物医学传感技术分会委员，多个SCI期刊的副主编或编委，连续两年（2023-2024）入选年全球前2%顶尖科学家榜单。

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秦春莲（通讯作者）

秦春莲，现任浙江大学医学院附属儿童医院、国家儿童健康与疾病临床医学研究中心研究员，2022年博士毕业于浙江大学生物医学工程专业，获浙江省优秀毕业生称号，后于浙江大学生物系统工程与食品科学学院/杭州国际科创中心从事博士后研究工作。长期从事微纳传感技术与生物医学应用研究，围绕生物敏感元件与传感机理、电生理传感技术及其传感系统开发应用开展一系列系统性研究，相关研究成果在ACS Nano（IF=15.8）、Biosensors and Bioelectronics（IF=10.7）、Nano letters（IF=9.6）等国际知名期刊共发表SCI论文40 余篇，其中一作/通讯作者19 篇；目前，主持国自然青年科学基金项目、浙江省探索青年科学基金项目、中国博士后特别资助项目和面上项目4项，参与国自然重点国际合作等多项基金项目；申请国家发明专利8 项，授权3 项；参编学术专著《仿生传感与智能感知》1本。担任中国老年保健协会诊疗技术创新与消化康复分会委员、中国生物医学工程学会会员，曾受邀在世界生物传感器大会、中国生物医学工程大会暨创新医疗峰会等国内外学术会议做口头报告10 余次。

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朱晓阳（通讯作者）

朱晓阳，教授，博士研究生导师，泰山学者青年专家，青岛理工大学教务处副处长。目前主要从事电子增材制造工艺及应用方面的研究工作。目前主持国家自然科学基金(面上及青年)项目、中央军委装备发展部成果转化项目、泰山学者专项项目、山东省青创团队项目、山东省自然科学基金面上项目等国家级及省部级项目10 项。以第一及通讯作者在Nature Communications、Progress in Materials Science、Advanced Materials、ACS Nano、Advanced Science、Small、International Journal of Extreme Manufacturing、Additive Manufacturing、机械工程学报、中国科学等国内外权威期刊公开发表SCI/EI论文66 篇，包括ESI热点/高被引/亮点论文/封面论文18 篇/次，入选Small年度最佳论文1 篇（4/1839），影响因子大于10 以上的20 篇。授权发明专利20 项，在美国，新加坡等重要国际会议作邀请报告17 次。相关成果获得国际日内瓦发明展金奖（排2 ）、青岛市自然科学奖二等奖（排1 ）、青岛市青年科技奖（排1 ）、中国发明协会发明创业奖创新奖二等奖（排1 ）、及山东省高等学校优秀科研成果奖二等奖（排1 ）等奖励。中科院一区期刊International Journal of Extreme Manufacturing（、Research期刊以及Soft Science等期刊青年编委，参与制定国家标准3 项，兼任全国增材制造标准化委员会工艺分会委员，中国机械工程技术路线图编写委员会委员，复合材料学会增材制造专委会委员。主讲课程入选山东省普通高等教育课程思政示范课程1 门、山东省优质研究生专业学位教学案例库1项、以及获批“大国智造”教育部学位中心主题案例项目1项。首位指导学生获得第十八届“挑战杯”大学生课外学术作品特等奖1项及十四届“挑战杯”大学生创新创业计划竞赛全国金奖；指导本科生获得国家级科创大赛一等奖及二等奖各1 项，省部级科创大赛奖励14 项（包括一等奖4 项），指导12 名研究生获得山东省优秀硕士学位论文/国家奖学金，指导研究生获得山东省优秀科研成果奖一等奖2 项，山东省研究生优秀成果3 项。

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胡靓（主要作者）

胡靓，北京航空航天大学副教授，“医工百人”研究员及“青年拔尖人才”，博士生导师。本博毕业于浙江大学生物医学工程专业，于美国宾夕法尼亚大学联合培养。以液态金属和水凝胶等新型材料为主开展了组织力学适配及生物相容性优异的软生物电子接口技术研究，从材料理化调控、成型加工、接口器件设计和应用开展了全流程创新研究。主持国家自然科学基金和北京市自然科学基金重点课题等纵向课题10 余项。以第一/通讯作者发表论文三十篇，包括Advanced Materials （封面）, Advanced Functional Materials （封面）, Science Bulletin，ACS Nano, Biosensors and Bioelectronics, Analytical Chemistry, Microsystems & Nanoengineering等材料及传感器领域权威期刊，授权发明专利7 项，参与编著全英文专著3 部（Springer）。相关工作获得PNAS、美国化学学会（ACS）官网等权威期刊和科技媒体报道。担任中国生物医学工程学会生物医学测量分会委员，多个SCI期刊编委。获13 届世界华人生物医学工程大会青年科学家奖,Wiley威立中国开放科学高贡献作者奖等荣誉。

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