微制造聚合物-金屬生物傳感器用于從生電細胞模型中獲取多種數(shù)據(jù)

體外器官芯片模型最近已經(jīng)成為最令人興奮的新興技術(shù)之一。作為微納工程和細胞生物學(xué)的交叉產(chǎn)物，片上模型等組合創(chuàng)新產(chǎn)物旨在通過與傳感技術(shù)的協(xié)同作用來實現(xiàn)組織和器官水平的生理學(xué)模擬。這種片上模型的進一步開發(fā)需要類器官、球狀體和多細胞聚集體模型的精心制造，以便更好地在體外模擬人體系統(tǒng)。目前，這種組織培養(yǎng)方法已被開發(fā)并用于臺式研究，從而促進了生物學(xué)研究的重大突破。然而，這些復(fù)雜的細胞模型也需要多路傳感系統(tǒng)和策略，并通過長期集成來獲取多種數(shù)據(jù)集。

近期，不依賴于潔凈室制造環(huán)境的混合制造策略，特別是基于聚合物材料的方法已被用于生物傳感器的制造。這些獨特的方法——包括易于互相轉(zhuǎn)換的增材和減材制造方法，以及為實現(xiàn)光學(xué)清晰度而集成的具有成本效益的透明襯底材料（對細胞生物學(xué)研究中主要使用的透射光學(xué)顯微鏡至關(guān)重要），為功能器件的制造提供了很多益處。

在復(fù)合傳感系統(tǒng)中，電阻抗、電化學(xué)和電生理測量使用類似的讀出方法（如阻抗頻率掃描）增加從單個平臺芯片收集的數(shù)據(jù)。三維（3D）微電極是用于細胞解析的下一代工具集的常見組件。這些工具從電活性細胞和細胞結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)導(dǎo)電壓和電流信號，以提供易于獲得的功能指標，用于評估細胞健康、增殖和活動（自發(fā)或誘導(dǎo)）。用于此類測量的附加電極配置，如叉指電極（IDE），可用于提高測量的靈敏度，并用于傳感來自細胞模型的多個特征。其中包括在細胞生物傳感應(yīng)用中非常重要的溫度和關(guān)鍵分析物濃度的監(jiān)測。例如，對細胞培養(yǎng)物中溫度變化的精確控制確保了測量過程中的細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，同時也可在需要時用于細胞熱刺激。

此外，將分析物敏感傳感器集成到多路芯片平臺中，可在電生理和溫度測量過程中實現(xiàn)對反應(yīng)過程的實時無標記測量。這些附加的傳感/應(yīng)用方法可以無縫集成到復(fù)雜的“片上”生物傳感器中，特別是當(dāng)大部分細胞培養(yǎng)檢測發(fā)生在培養(yǎng)箱環(huán)境之外（可能導(dǎo)致劇烈的局部溫度變化），以及當(dāng)有必要縱向分析細胞群的變化（分析物/營養(yǎng)物質(zhì)消耗）時。

同時，微流控技術(shù)可以通過集成2D/3D端口來幫助實現(xiàn)各種測量。通過這些2D/3D端口，可以灌注用于局部化學(xué)刺激或營養(yǎng)補充的化合物和/或藥物。這種基于微流控的集成技術(shù)還可以直接用于復(fù)雜的球形類器官，并在局部對這些類器官進行化學(xué)刺激，為細胞生長和附著以及在培養(yǎng)區(qū)域內(nèi)精確放置提供新的途徑。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中佛羅里達大學(xué)（University of Central Florida）等機構(gòu)的研究人員利用微制造技術(shù)開發(fā)了一個緊湊的聚合物-金屬生物傳感器平臺，用于各種“片上”應(yīng)用。研究人員將3D微電極、3D微流控器件、叉指電極傳感器和一個微加熱器集成于同一芯片上。此外，該傳感器平臺利用基于阻抗的數(shù)據(jù)分析方法，因為該數(shù)據(jù)分析方法可以利用基于頻率的底層電路特性為多種生物傳感器數(shù)據(jù)分析提供額外的支持。相關(guān)研究成果以“Microfabricated polymer-metal biosensors for multifarious data collection from electrogenic cellular models”為題發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

圖1 聚合物-金屬傳感器平臺制造工藝流程示意圖

在具體的研究過程中，研究人員首先對3D微電極阻抗表征以及均方根（RMS）噪聲水平進行了研究和建模，以驗證該傳感器用于電生理測量的適用性。

圖2 3D微電極結(jié)構(gòu)的電阻抗表征

接下來，研究人員使用耦合到電阻式微加熱器（微加熱器的加熱溫度被調(diào)諧到生理相關(guān)范圍內(nèi)）的薄膜叉指電極對差分溫度記錄進行了建模和演示。

圖3 利用耦合的微加熱器改變杜氏磷酸鹽緩沖液（DPBS）溫度，并對不同溫度下所制造的叉指電極基材的電化學(xué)阻抗進行表征

隨后，研究人員采用了簡化的血漿增強偶聯(lián)方案，并使用另一種集成叉指電極和抗L-谷氨酰胺抗體進行分析物檢測。此外，研究人員利用復(fù)雜的阻抗建模來識別差分等效電路，并提取叉指電極阻抗數(shù)據(jù)的結(jié)果參數(shù)，以用于溫度和分析物檢測。

圖4 簡化制造的抗體耦聯(lián)叉指電極的電化學(xué)阻抗表征

最后，研究人員提出了基于微流控器件端口的COMSOL有限元建模（FEM），以演示局部區(qū)域的精確灌注能力。

圖5 恒定施加8 Pa灌注壓力時微流控器件COMSOL模型示意圖

總體而言，該研究展示了一種易于設(shè)計的聚合物-金屬化合物生物傳感器的設(shè)計和開發(fā)過程，并對其特性進行了表征。該傳感器平臺可用于促進生電細胞結(jié)構(gòu)全面微生理系統(tǒng)（MPS）數(shù)據(jù)的收集。

審核編輯：劉清