一种3D打印生物墨水及其制备方法、3D打印生物电极材料、生物电化学传感系统和应用

本发明属于3d打印生物墨水材料，涉及ca2+掺杂的聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐在3d打印生物墨水中的应用、一种3d打印生物墨水及其制备方法、3d打印生物电极材料、生物电化学传感系统和应用，尤其涉及一种3d打印生物墨水及其制备方法、3d打印生物电极材料、生物电化学传感系统和应用。

背景技术：

1、随着城市化进程的加快，特别是近年来数字水质监控系统的快速发展，对可对环境因素持续产生响应的生物传感器需求大幅上涨。生化需氧量(bod)是表征废水中污染物可生化性的关键参数，在线反馈bod值在调节曝气以优化有机物去除和反硝化性能方面具有巨大潜力，但当前bod监测方法如改良的参比法、光度法和测压法，均不能实现bod的实时监测。生物电化学系统(bes)是一种很有前途的未知水样bod监测技术，通过利用电活性细菌从可生物降解污染物中得电子，形成电流信号，可对水体中有机污染物产生快速高效的响应监测。

2、但是在bes系统中，微生物需在电极挂膜定殖，这种本质上由微生物自身主导的感应元件制作方法带来的液体池装置笨重、无法标准化制造、界面电子转移效率受限，从而限制了bes环境传感器的发展。

3、因此，如何找到一种更为适宜的方式，去解决现有的生物电化学系统存在的上述问题，已成为本领域诸多具有前瞻性的研究人员广为关注的焦点之一。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供ca2+掺杂的聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐在3d打印生物墨水中的应用、一种3d打印生物墨水及其制备方法、3d打印生物电极材料、生物电化学传感系统和应用，特别是一种3d打印生物墨水。采用本发明提供的生物墨水进行3d打印所构建的生物电极材料可实现快速制造，并且通过墨水成分的设计达到降低传感系统的检测限，改善系统灵敏度与信噪比的目的。

2、本发明提供了ca2+掺杂的聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐在3d打印生物墨水中的应用。

3、优选的，所述ca2+掺杂的聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐具体作为3d打印生物墨水中导电连续相的应用；

4、所述应用还包括奥奈达湖希瓦氏菌在3d打印生物墨水中的应用；

5、所述奥奈达湖希瓦氏菌具体作为3d打印生物墨水中模式电活性菌的应用；

6、所述应用包括提升3d打印生物墨水制备的3d打印生物电极材料中菌浓度方面的应用；

7、所述应用包括提升3d打印生物墨水制备的3d打印生物电极材料中胞外电子传递能力方面的应用。

8、本发明提供了一种3d打印生物墨水，所述3d打印生物墨水包括：甲基丙烯酰化明胶、ca2+掺杂的聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐、奥奈达湖希瓦氏菌和液体培养基。

9、优选的，所述甲基丙烯酰化明胶与ca2+掺杂的聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐的用量比为0.07g：(25～100)μl；

10、所述ca2+掺杂的聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐中，ca2+与聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐的比为(0.02～0.15)g：1ml；

11、所述奥奈达湖希瓦氏菌和液体培养基形成奥奈达湖希瓦氏菌培养液；

12、所述奥奈达湖希瓦氏菌在液体培养基中的细菌细胞密度od600值为2～4；

13、所述ca2+掺杂的聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐与液体培养基的体积比为(25～100)：1000；

14、所述液体培养基包括磷酸缓冲盐溶液；

15、所述原料中还包括光引发剂；

16、所述光引发剂包括光引发剂lap。

17、本发明提供了一种如上述技术方案任意一项所述的应用中的3d打印生物墨水或上述技术方案任意一项所述的3d打印生物墨水的制备方法，包括以下步骤：

18、1)将甲基丙烯酰化明胶、光引发剂和液体培养基加热混合后，静置，再与ca2+掺杂的聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐和奥奈达湖希瓦氏菌培养液再次混后，得到3d打印生物墨水；

19、所述奥奈达湖希瓦氏菌培养液包括奥奈达湖希瓦氏菌与液体培养基；

20、所述光引发剂和液体培养基先形成光引发剂培养液；

21、所述光引发剂培养液的浓度为(1～7.5)mg：1ml；

22、所述加热混合的温度为60～70℃；

23、所述加热混合的时间为20～30分钟；

24、所述静置的温度为30～40℃；

25、所述静置的时间为5～20分钟。

26、本发明提供了一种3d打印生物电极材料，所述3d打印生物电极材料由上述技术方案任意一项所述的应用中的3d打印生物墨水、上述技术方案任意一项所述的3d打印生物墨水或上述技术方案所述的制备方法所制备的3d打印生物墨水经过3d打印后得到。

27、优选的，所述3d打印后还包括交联处理步骤；

28、所述交联处理具体为在光照的条件下进行交联处理；

29、所述光照的波长为365～405nm；

30、所述光照的强度为25～35mw/cm2；

31、所述3d打印生物电极材料包括网状结构的3d打印生物电极材料。

32、本发明提供了一种生物电化学传感系统，其特征在于，包括上述技术方案任意一项所述的应用中的3d打印生物墨水、上述技术方案任意一项所述的3d打印生物墨水、上述技术方案所述的制备方法所制备的3d打印生物墨水或上述技术方案任意一项所述的3d打印生物电极材料。

33、优选的，所述3d打印生物电极为主体工作电极，ag/agcl电极为参比电极，pt丝电极为对电极构建三电极单室电池；

34、所述生物电化学传感系统还与监测系统配合使用；

35、所述监测系统包括电化学工作站i-t模式和/或电流采集模块；

36、所述生物电化学传感系统的监测结果通过监测系统进行可视化或可读化。

37、本发明还提供了上述技术方案任意一项所述的应用中的3d打印生物墨水、上述技术方案任意一项所述的3d打印生物墨水、上述技术方案所述的制备方法所制备的3d打印生物墨水、上述技术方案任意一项所述的3d打印生物电极材料或上述技术方案任意一项所述的生物电化学传感系统在污水监测中的应用。

38、本发明提供了ca2+掺杂的聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐在3d打印生物墨水中的应用。与现有技术相比，本发明创造性的将ca2+掺杂的聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐作为导电连续相应用在3d打印生物墨水中，并特别设计了一种3d打印生物墨水。本发明提供的3d打印生物墨水的成分包括：甲基丙烯酰化明胶、ca2+掺杂的聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐、奥奈达希瓦氏菌shewanella oneidensis mr-1和液体培养基，并进而将3d打印生物墨水经过3d打印交联处理后制成3d打印生物电极材料。

39、本发明提供的3d打印生物墨水以甲基丙烯酰化明胶(gelma)作为生物墨水机械连续相，以ca2+掺杂的聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(ca-pedot:pss)作为导电连续相，以常用于环境监测的奥奈达希瓦氏菌作为模式电活性菌，获得具有良好性能的导电生物墨水；在此基础上，依托3d生物打印的技术优势，改变过往挂膜形成元件的生产方法，将该生物墨水构建成了具有较高的菌浓度和优良的胞外电子传递能力的3d打印生物电极材料，该电极可以利用底物乳酸钠产生电流，进而作为传感系统的感受元件及换能器实现对水环境中bod5或毒物的快速监测。

40、实验结果表明，本发明提供的3d打印生物电极材料中的电活性微生物生长状态良好，该电极材料对以乳酸钠作为模式污染物的bod5有良好的响应，加入导电连续相的墨水制备的电极电流强度提高了5倍。