石墨烯油墨可实现低成本的印刷电池传感器

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弗劳恩霍夫科学家已开发出具有石墨烯电极的生物传感器,通过卷对卷印刷便宜且简单地生产。已经建立了大规模生产的系统原型。这可能改变目前基于细胞的生物传感器制造起来非常昂贵的情况,这通常会妨碍它们的使用。进行电测量的传感器的成本因素是昂贵的电极材料和复杂的生产。

Fraunhofer开发了印刷石墨烯传感器图像的低成本工艺

基于细胞的生物传感器通过电信号测量细胞培养物的变化。这是使用安装在培养皿内部或“孔板”孔中的电极完成的。例如,如果添加的病毒破坏电极上的连续细胞层,则电极之间测量的电阻减小。以这种方式,可以测试疫苗或药物(例如)的效果:活性成分越有效,病毒破坏的细胞数量越少,测量的抗性变化就越小。此外,毒性试验,例如化妆品,可以根据相同的原理起作用,并且可以在将来取代动物实验。另一个优点是,如果生物传感器与评估单元相连,则测量可以是连续的和自动化的。

问题是这种生物传感器的制备昂贵且复杂:电极由生物相容且导电的材料制成,例如金或铂。微电极的生产需要复杂的光刻工艺。结果是实验室通常不购买这些生物传感器,因为成本高,并且细胞培养物的检查继续在显微镜下手动进行。然而,作为贵金属的替代物,石墨烯可以用作电极的材料,因为它是导电的,生物相容的,并且以墨水的形式可以印刷在表面上。

Fraunhofer生物医学工程研究所IBMT团队使用了这种石墨烯墨水与德国联邦教育与研究部(BMBF)资助的M-era.Net项目BIOGRAPHY的行业合作伙伴一起,研究人员开发了一种印刷工艺,可以生产大量的石墨烯生物传感器。具有成本效益的卷对卷工艺。“我们的系统原型可以在连续箔片上每分钟打印约400个生物传感器,”IBMT生物医学微系统部门负责人兼BIOGRAPHY项目经理Thomas Velten博士说。

虽然印刷设备和石墨烯油墨是由相关合作伙伴提供的,但IBMT的科学家们已经负责印刷工艺的设计。“特别是,调整油墨粘度,印刷速度,刮刀压力等参数至关重要 - 刮刀刮掉多余的油墨 - 以及印刷滚筒的深度,以使印刷结构符合标称尺寸,” Velten解释道。

来自IBMT的跨学科生物学家和工程师团队也开发了一种蛋白质墨水,它在石墨烯之后直接印刷在电极上。Velten:“这要归功于蛋白质,细胞能够很好地粘附在电极箔上”。箔和油墨的表面能必须以这样的方式相互适应,即油墨从印刷滚筒到箔的最佳转移。特别关键的是印刷结构的干燥,因为蛋白质不耐溶剂或高温。只有正确混合的油墨成分和干燥方法才能确保油墨快速干燥。



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