Development of a fully DLP-printed sensor-integrated cell culture well for electrochemical measurements

Abstract

Der Digital Light Processing (DLP)-3D-Druck hat sich als ein leistungsfähiger Ansatz zur schnellen Prototypenfertigung und Individualisierung bioanalytischer Geräte etabliert, da er eine hohe Auflösung und Maßgenauigkeit ermöglicht. Mit dieser Methode ist es jedoch nach wie vor schwierig, elektrische Sensoren in Zellkulturplattformen zu integrieren. Standard-DLP-Harze haben elektrisch isolierende Eigenschaften, was eine separate Elektrodenherstellungerforderlich macht und die Integration von Sensoren zu einem aufwendigenmehrstufigen Montageprozess macht. Die Modifizierung von DLP Harzen bietet eine mögliche Lösung, aber ihre Verfügbarkeit ist noch begrenzt und etablierte Arbeitsabläufe sind nach wie vor selten.Ziel dieser Studie ist die Herstellung vollständig DLP-gedruckter, sensorintegrierter Zellkulturwells durch die Modifikation eines handelsüblichen, lichtaushärtbaren Harzes mit elektrisch leitfähigen Additiven. Der Entwicklungs- und Validierungsprozess umfasste drei Phasen: Zunächst wurden Dünnschichtproben des ausgehärteten Harzes mit unterschiedlichen Additiven hergestellt und mittels Zwei-Punkt-Messung charakterisiert, um die am besten leitfähige Formulierung zu identifizieren. Anschließend wurden die Druckparameter für das leitfähige Harz bestimmt und durch den Vergleich von konstruierten und gedruckten Geometrien optimiert. Abschließend erfolgte die Herstellung sensorintegrierter Wells über den Print-Pause-Print-Ansatz sowie deren Charakterisierung mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS)).Hier wird gezeigt, dass rechteckige Proben, die mit Harz gedruckt wurden, das silberbeschichtete Aluminiumkugeln in Konzentrationen zwischen 50 und 65 wt% des Gesamtharzes beinhalteten,eine ungefähre Leitfähigkeit in der Größenordnung von 1000 Sm−1 aufwiesen. Die Auswertung der gedruckten Geometrien bestätigte, dass sich mit den optimierten DLPDruckparameternfür leitfähige Harze (55 wt% leitfähiges Additiv) eine durchschnittlicheFlächenabweichung von lediglich 0.76% zwischen Konstruktion und gefertigten Strukturen erzielen ließ. Abschließend verifizierten EIS-Messungen die Fähigkeit der gedruckten, sensorintegrierten Wells, konzentrationsabhängige Unterschiede in der elektrochemischen Impedanz über Salzlösungen im Bereich von 1.25 bis 100mM aufzulösen. Zusammenfassend präsentiert diese Arbeit einen allgemeinen Arbeitsablauf für vollständig DLP-gedruckte Wells mit integrierten Elektroden, der Weiterentwicklung zu komplexeren mikrophysiologischen Systemen bietet.

Digital Light Processing (DLP) 3D printing has emerged as a powerful route to rapidly prototype and customize bioanalytical devices by providing high resolution and dimensional accuracy. However, using this method, it is still challenging to include electrical sensors in cell culture platforms. Standard DLP resins have electrically insulating properties, leading to the need for separate electrode fabrication, and thus making the integration of sensors a delicate multi-step assembly process. The modification of DLP resins offers a possiblesolution, but their availability is still limited, and established workflows remain rare.Therefore, this study aims to fabricate fully DLP-printed, sensor-integrated cell culture wells by modifying a commercially available photocurable resin with electrically conductive additives. The development and validation process comprised three stages. First, thin-film samples of cured resin with different additives were fabricated and screened using the two-point probe method to identify the most conductive formulation. Secondly, the printing parameters for the conductive resin were identified and optimized by comparing printed and designed geometries. Finally, sensor-integrated wells were fabricated via the Print-Pause-Print approach and characterized using Electrochemical Impedance Spectroscopy(EIS).Here, it is demonstrated that rectangular samples printed with resin containing silver-coated aluminum spheres at concentrations between 50 and 65 wt% of total resin, exhibited approximated conductivities on the order of >1000 Sm−1 in two-point resistance measurements. The evaluation of the printed geometries confirmed that, with the optimized DLP printing parameters for conductive resins (containing 55 wt% conductive additive), the average area deviation between designed and produced geometry was 0.76%. Finally, EIS measurements verified the capability of the printed, sensor-integrated wells to resolve concentration-dependent variations in electrochemical impedance across saline solutions between 1.25 and 100mM. In conclusion, this work provides a general workflow for fully DLP-printed wells with integrated electrodes, with scope for further refinement towards more complex microphysiological devices.