在生物傳感領域，制造有機聚合物或生物材料的大規模功能陣列是一個關鍵挑戰，絲素蛋白因其優異的物理、化學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，廣泛應用于在微觀水平上制造復雜陣列。美國佐治亞理工學院材料科學與工程系Vladimir V.Tsukruk教授課題組通過將兩者優勢的結合，輕松制造了生物相容性的聚賴氨酸和聚谷氨酸側鏈化學修飾的蠶絲“巢”的微觀陣列，能夠為未來的生物傳感器承載活細胞。噴墨打印與LbL技術相結合，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70−100μm，厚度為幾百納米，通過離子配對和形成直徑為70−100μm的環狀LbL結構得到穩定，在剛性（玻璃）和柔性（聚合物）基底上產生具有明確邊緣的特征“巢”形態。在細胞生長介質培養過程中，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胞封裝的適用性，根據制造工藝，將大腸桿菌直接噴墨打印在6×6陣列的預印絲陣列上，圖1下面為帶有封裝細胞的絲陣列的光學圖像。

▲ 圖1

由0.5和1mg/mL和1、3和5雙層絲溶液制備的典型絲結構的表面形態如圖2所示。最初的絲區域是均勻的，較厚的區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，分子間具有強烈的相互作用。增加絲溶液濃度和沉積循環次數導致了更均勻的圓形絲區域（如圖2和3）。所有具有不同數量的絲雙層的點狀沉積絲區域都具有特有的“巢”形狀。這些區域的橫截面（圖2D−E）顯示了升高的邊緣（1個雙層區域的430nm高度）和中心區域（150nm；圖2D）。這種“巢”形狀明顯，可以通過調節蒸發速率、溶液來控制絲點的整體形態濃度和干燥溫度。

▲ 圖3

由0.5mg/mL和1mg/mL具有不同雙層數的絲溶液制成的絲巢中心厚度如圖4所示，從中心區域的橫切面測量，這些絲巢的厚度從100增加到600nm，雙層膜數量從1增加到5，溶液濃度也在增加。在噴墨沉積過程中，絲區域的特征與傳統的LbL薄膜相似，其線性狀態由離子對相互作用控制。然而，平均每雙層115納米的厚度遠高于其他LbL薄膜的平均厚度。這種過量的材料并不會降低，并且隨后轉換為穩定的巢形態。為了測試絲巢陣列在液體培養基中以進一步封裝細胞的穩定性，將陣列在SMM培養基中暴露不同的時間（如圖5）。暴露于細胞培養基12小時后，絲巢陣列的一般形狀保持完整。根據不同放大倍數下收集的絲點的AFM圖像，在SMM介質中部分去除多余的絲材料（如圖6）。

為了初步研究這些絲巢陣列對細胞封裝的適用性，根據制作過程，將大腸桿菌以6×6的絲巢陣列直接打印在預印的絲巢陣列上并完成封裝過程。光學顯微鏡顯示，噴墨打印的大腸桿菌細胞可以一致地包裹在絲點中（如圖7）。包裹的細胞擴散局限于圓形絲巢區域，注射的細胞被限制在絲區域的邊緣，作為細胞在整個基質上擴散的自然屏障（見圖7中的高分辨率光學圖像）。此外，AFM圖像證實了單個圓形絲區域內的細胞包裹高密度，以及在撞擊和絲預處理的巢狀區域上沉積后，保留了其特有的圓柱形（圖8）。

結論

噴墨打印方法被證明用于形成絲巢的微觀陣列，能夠承載細胞，應用于生物傳感。噴墨輔助的LbL多層結構實驗中，利用陰離子和陽離子側鏈的離子離聚絲材料可成功形成絲纖維蛋白LbL多層區域，并研究探索了多達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，在細胞培養基中，這些“鎖定”的絲巢仍然固定在基質上，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。噴墨打印技術展示了通用和大規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，并固定不同的細胞，以進一步探索多路生物傳感微陣列，用于多種化學和生物物種的生物檢測。