导读

近日，德国弗劳恩霍夫协会的科学家们正在通过廉价并简单的卷对卷(roll-to-roll)印刷工艺，生产出含有石墨烯电极的生物传感器。目前，可用于量产的系统原型已经制成。

背景

在实验室中，基于细胞的生物传感器能在人体上模拟各种物质(例如：例如药品)的效应。然而根据测量原理，制造它们的成本非常昂贵。因此，它们经常无法得到应用。对于进行电气测量的传感器来说，成本主要来自昂贵的电极材料和复杂的生产工艺。

创新

近日，德国弗劳恩霍夫协会的科学家们正在通过廉价并简单的卷对卷(roll-to-roll)印刷技术，生产出含有石墨烯电极的生物传感器。目前，可用于量产的系统原型已经制成。

(图片来源：弗劳恩霍夫生物医学工程研究所)

技术

基于细胞的传感器通过电信号测量细胞培养物的变化。这一过程通过电极来实现，而电极安装在陪替氏培养皿或者孔板中。如果病毒的加入破坏了电极上持续的细胞层，例如，在电极之间测量到的电阻会减少。这样一来，举例来说，疫苗或者药物的效应就能被测试出来。活性成分越有效，被病毒破坏的细胞数量就越少，测量的到电阻变化就越低。根据同样的原理，也可以展开毒性实验，例如针对化妆品，并且未来将取代动物实验。另外，还有一项优势就是：如果生物传感器连接到一个评估单元，测量将会是持续且自动的。

这种传感器的制备过程将非常昂贵和复杂，尽管电极是由生物兼容和导电的材料(例如金或者铂)制成。微电极的制备需要复杂的平板印刷工艺。结果因为成本太高，实验室通常不会购买这些生物传感器，而是持续地在显微镜下手动地进行细胞培养物的检查。然而，作为贵金属的一种替代品，石墨烯现在可作为电极材料使用。这种碳材料的优势包括：导电、生物兼容、并且能以油墨的形式印刷到物体表面上。

位于德国萨尔兰州圣因格贝尔特的弗劳恩霍夫生物医学工程研究所(IBMT)的科学家们采用了石墨烯油墨。在德国联邦教育与研究部(BMBF)赞助的 M--era.Net 项目BIOGRAPHY中，他们与行业伙伴合作开发出一种印刷工艺，使得采用低成本的卷对卷工艺大规模量产石墨烯生物传感器变得可能。

(图片来源：弗劳恩霍夫生物医学工程研究所)

IBMT 生物医学微系统部门负责人、BIOGRAPHY 项目经理 Thomas Velten 描述研发成果时表示：“我们的系统原型可以在连续的箔上，每分钟印刷约400个生物传感器。”印刷设备和石墨烯油墨由相关合作伙伴提供，IBMT的科学家主要专注于设计和印刷工艺。

Velten 解释道：“特别是，油墨粘性、印刷速度、刮墨刀电压(刮墨刀用于刮掉多余的油墨)以及印刷筒的井深等参数都非常关键，以便根据标称尺寸印刷出相关结构。”

来自IBMT的跨学科生物学家和工程师团队也开发出了一种蛋白质油墨，它可以在石墨烯之后直接印刷到电极上。Velten 表示：“这仅归功于细胞将蛋白质足够好地黏附到电极箔上。”这种复杂的工艺要求：箔和油墨的表面能量必须一种方式相互适应，这种方式要求：来自印刷筒的油墨以最佳的方式转移到箔上。因为蛋白质不能容忍溶剂或者高温，印刷结构的烘干显得尤为重要。只有正确地混合油墨并采取有效的烘干方法，才能保证油墨会足够快地变干。

在成功的构造出原型之后，科学家们就会对于这种印刷成的传感器，展开实际测试。项目经理 Velten 表示：“我们希望能在一年之内，为行业提供一个通用技术平台。”

价值

这项创新研究的核心价值在于三点：第一，采用导电且生物兼容的石墨烯材料，以油墨的形式印刷制作电极;第二，采用了低成本的卷对卷制程;第三，这种方法将具有通用性。