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近日，德國弗勞恩霍夫協會的科學家們正在通過廉價並簡單的捲對卷（ roll-to-roll ）印刷工藝，生產出含有石墨烯電極的生物傳感器。 目前，可用於量產的系統原型已經製成。
背景
在實驗室中， 基於細胞的生物傳感器能在人體上模擬各種物質（例如： 例如藥品 ）的效應。 然而根據測量原理，製造它們的成本非常昂貴。 因此，它們經常無法得到應用。 對於進行電氣測量的傳感器來說，成本主要來自昂貴的電極材料和復雜的生產工藝。
創新
近日，德國弗勞恩霍夫協會的科學家們正在通過廉價並簡單的捲對卷（ roll-to-roll ）印刷技術，生產出含有石墨烯電極的生物傳感器。 目前，可用於量產的系統原型已經製成。
（圖片來源： 弗勞恩霍夫生物醫學工程研究所 ）
技術
基於細胞的傳感器通過電信號測量 細胞培養物的變化。 這一過程通過電極來實現，而電極安裝在陪替氏培養皿 或者 孔板中。 如果病毒的加入破壞了電極上持續的細胞層，例如，在電極之間測量到的電阻會減少。 這樣一來，舉例來說，疫苗或者藥物的效應就能被測試出來。 活性成分越有效，被病毒破壞的細胞數量就越少，測量的到電阻變化就越低。 根據同樣的原理 ，也可以展開毒性實驗，例如針對化妝品，並且未來將取代動物實驗。 另外，還有一項優勢就是：如果生物傳感器連接到一個評估單元，測量將會是持續且自動的。
這種傳感器的製備過程將非常昂貴和復雜，儘管電極是由生物兼容和導電的材料（例如金或者 鉑 ）製成。 微電極的製備需要復雜的平板印刷工藝。 結果 因為成本太高 ，實驗室通常不會購買這些生物傳感器，而是 持續地在顯微鏡下手動地進行細胞培養物的檢查。 然而， 作為 貴金屬 的一種替代品，石墨烯現在可作為電極材料使用。 這種碳材料的優勢包括： 導電、生物兼容、並且能以油墨的形式印刷到物體表面上 。
位於德國薩爾蘭州聖因格貝爾特的弗勞恩霍夫生物醫學工程研究所（IBMT） 的科學家們採用了石墨烯油墨。 在 德國聯邦教育與研究部 （BMBF）贊助的 M–era.Net 項目 BIOGRAPHY 中， 他們與 行業夥伴 合作開發出一種印刷工藝，使得採用低成本的捲對卷工藝大規模量產石墨烯生物傳感器變得可能。
（圖片來源： 弗勞恩霍夫生物醫學工程研究所 ）
IBMT 生物醫學微系統部門負責人、 BIOGRAPHY 項目經理 Thomas
Velten 描述研發成果時表示：“我們的系統原型可以在連續的箔上， 每分鐘 印刷約400個生物傳感器。 ”印刷設備和石墨烯油墨由相關合作夥伴提供，IBMT的科學家主要專注於設計和印刷工藝。
Velten 解釋道：“特別是，油墨 粘性 、印刷速度、 刮墨刀 電壓（ 刮墨刀 用於刮掉多餘的油墨）以及 印刷筒的 井深 等參數都非常關鍵，以便根據 標稱尺寸 印刷出相關結構。 ”
來自IBMT的跨學科生物學家和工程師團隊也開發出了一種蛋白質油墨，它可以在石墨烯之後直接印刷到電極上。 Velten 表示：“這僅歸功於細胞將蛋白質足夠好地黏附到 電極箔上。 ”這種複雜的工藝要求： 箔 和油墨的表面能量必須一種方式相互適應，這種方式要求：來自 印刷筒 的油墨以最佳的方式 轉移到 箔 上 。 因為蛋白質不能容忍溶劑或者高溫 ，印刷結構的烘乾顯得尤為重要 。 只有正確地混合油墨並採取有效的烘乾方法，才能保證油墨會足夠快地變乾。
在成功的構造出原型之後，科學家們就會對於這種印刷成的傳感器，展開實際測試。 項目經理 Velten 表示：“我們希望能在一年之內，為行業提供一個通用技術平台。”
價值
這項創新研究的核心價值在於三點：第一，採用 導電且生物兼容的 石墨烯材料， 以油墨的形式印刷 製作電極；第二，採用了低成本的 卷對卷製程 ；第三，這種方法將具有通用性。
關鍵字
參考資料
【1】 https://www.fraunhofer.de/en/press/research-news/2018/March/easy-printing-of-biosensors-made-of-graphene.html
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