增材制造正在成為一種多功能平臺，用于快速制作具有靈活幾何設(shè)計的新型傳感器。使用壓電噴墨打印機(jī)可制作用于細(xì)胞培養(yǎng)的3D微電極陣列（MEAs）。通過調(diào)整沉積的納米銀顆粒墨滴的數(shù)量以及連續(xù)打印方法和適當(dāng)?shù)闹鸬窝舆t，可以定義打印的3D電極的縱橫比和高度。
壓電DOD噴墨打印已用于打印許多材料，尤其是導(dǎo)電金屬基油墨。通過控制單個液滴的噴射和油墨的溶劑蒸發(fā)，可以按需打印微米尺寸的3D結(jié)構(gòu)，高度可在毫米范圍內(nèi)變化。或者，也可以利用紫外線在每層油墨之間形成導(dǎo)電的3D結(jié)構(gòu)。到目前為止，已經(jīng)印刷了各種各樣的形狀，如微柱陣列、微螺旋、微鋸齒、六邊形和仙人掌結(jié)構(gòu)。然而，這些噴墨打印3D結(jié)構(gòu)最常見的應(yīng)用是將其用作互連。目前，直徑小至22μm的微柱已使用商用噴墨打印機(jī)制造。在“Inkjet-Printed and Electroplated 3D Electrodes for Recording Extracellular Signals in Cell Culture”的研究中，展示了噴墨打印3D微電極陣列用于監(jiān)測心肌樣細(xì)胞的可能性，介紹了一種采用納米銀油墨生產(chǎn)高通量3D微電極陣列的連續(xù)打印策略。3D微電極陣列的饋電線以1kHz的頻率打印，滴間距為41.9μm，PEN薄膜上的單個銀液滴直徑約為60μm。3D微電極是用一個移動的打印頭打印的，測量的滴到滴的時間間隔為4.1s。打印后，銀油墨在樣品臺上干燥，并在烘箱中以150℃熱燒結(jié)2小時。
打印布局中定義了3D電極周圍40μm的間距，以確保結(jié)構(gòu)不會被墨水覆蓋。使用打印機(jī)的攝像頭將噴嘴與3D微電極手動對齊。采用噴射頻率為253Hz、滴間距為40μm的單層丙烯酸酯油墨進(jìn)行打印。向噴嘴板施加50V的單極電壓脈沖，在打印過程中，樣品臺和噴嘴板都被加熱到50℃。最后使用強(qiáng)度為5W cm-2的內(nèi)置紫外線燈以50mm s-1的樣品臺速度對油墨進(jìn)行固化。研究了皮升級納米銀顆粒（AgNP）液滴在打印3D微電極陣列（MEAs）時的柱狀結(jié)構(gòu)的生長。研究了兩種不同的打印方法，如圖1所示。**種方法是在固定環(huán)境中沉積單個墨滴，以控制液滴干燥的對準(zhǔn)和噴射頻率，這是將AgNP油墨堆疊到3D柱的關(guān)鍵。由于液滴體積小，表面張力的影響比重力大得多，因此無需中間層燒結(jié)階段即可形成3D結(jié)構(gòu)。然而，固定系統(tǒng)的一個重要問題是這種方法的吞吐量，因?yàn)檫@種方法一次只能打印一根柱子。這對于3D微電極陣列的高通量生產(chǎn)并不理想。而第二種方法，利用移動打印頭，可允許多個柱的平行制造。▲ 圖1 打印3D微電極陣列的兩種方法的插圖：（a，b）固定和（c，d）連續(xù)。2 3D微電極的熱燒結(jié)
打印出具有不同液滴數(shù)的3D電極后，將其置于150℃的烘箱中燒結(jié)2小時。測量每個柱高度的相對變化，落差延遲的導(dǎo)致高度的相對變化*小，在低液滴數(shù)時柱高度下降較大。在50個液滴時，兩種延遲都顯示出高度的相對變化?5%至?7%，而在較高的液滴數(shù)時，相對變化較低約在-1.5%。為了更好地理解打印電極和熱燒結(jié)電極內(nèi)部發(fā)生的情況，將聚焦離子束（FIB）切割應(yīng)用于高3D微電極（研究中的陣列和柱分別如圖2a和b所示）。在應(yīng)用初始切割和拋光步驟（圖2c）后，使用不同的放大率對柱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像（圖2d-f）。在捕獲的圖像中，可以看到3D電極的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是多孔的，孔徑約為79±32nm（n=24，從圖2f中測量）。這反過來解釋了為什么燒結(jié)后柱高的相對變化并沒有急劇降低（如圖2d所示），因?yàn)榧{米顆粒沒有形成塊狀材料。▲ 圖2 傾斜校正掃描電子顯微鏡圖像：（a）燒結(jié)的3D微電極陣列，（b）聚焦離子束分析下的柱，（c）整體銑削和拋光后的柱。（c）中所示柱的不同放大倍數(shù)如（d–f）所示。所有的柱都用大約1600滴AgNP墨水打印，寬度約32μm，高度500–560μm。所有的圖像都是用3千伏的加速電壓和52-54°傾斜的基板拍攝的。比例尺表示（a）500μm、（b）和（c）100μm、（d）10μm、（e）1μm和（f）100nm。如圖3所示。根據(jù)液滴數(shù)量，可以制造半球形或柱狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)液滴數(shù)低于643D時，鈍化后形成較小的電極開口。在Pt鍍鋅過程之后，可以看到花椰菜圖案，這是由于初級擴(kuò)散區(qū)重疊而產(chǎn)生的。更高的電阻可以通過電極更平坦的形態(tài)來解釋（見圖3c，h），它既不完全像半球，也不完全像平面圓盤。▲ 圖3 使用4個樣本計算平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差（分別為實(shí)線和陰影區(qū)域）(c–l）傾斜校正的SEM圖像，在基板傾斜（c–g）0°和（h–l）45°。所有SEM圖像都使用了15千伏的加速電壓。使用（c–j）1000×，（k）350×，（l）250×的放大倍數(shù)。顯示的所有比例尺長度均為40μm。圖例中和SEM圖像右上角的數(shù)字對應(yīng)于噴射出的納米銀顆粒液滴的數(shù)量。
該研究展示了噴墨打印和鍍鋅3D微電極的制造，用于測量心肌細(xì)胞樣細(xì)胞的局部電活動。為了提高3D微電極的生產(chǎn)能力，研究了一種基于滴間時間間隔的連續(xù)打印方法。標(biāo)準(zhǔn)3D電極設(shè)計的直徑約為30μm，高度約為560μm。這種方法提供了一種成本效益高的替代方法，可以快速原型化3D微電極。
微電極陣列已被用于生物電子學(xué)領(lǐng)域，作為更好地理解細(xì)胞在體內(nèi)和體外如何通信的平臺。例如，微電極陣列已被用于記錄心肌細(xì)胞樣細(xì)胞的生電活動和神經(jīng)元突觸間隙處神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。此外，這些平臺已被用于進(jìn)行毒素或藥物篩選，以監(jiān)測其對培養(yǎng)細(xì)胞系的影響。相較以傳統(tǒng)方式在潔凈室中制造，在以省時的方式制造小批量傳感器時，增材制造已顯示出優(yōu)勢，并且整體材料浪費(fèi)更少。特別是，壓電按需噴墨打印（DOD）方式——具有無掩模設(shè)計的靈活性，還可噴射多種材料（包括金屬納米顆粒、有機(jī)金屬、聚合物、介電材料、石墨烯等2D材料、半導(dǎo)體納米材料、納米線、陶瓷、碳納米管、蛋白質(zhì) 、甚至活細(xì)胞）。
參考文獻(xiàn)：
[1] Grob L , Rinklin P , Zips S , et al. Inkjet-Printed and Electroplated 3D Electrodes for Recording Extracellular Signals in Cell Culture[J]. Sensors, 2021, 21(12):3981.
