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據

體外器官芯片模型最近已經成為最令人興奮的新興技術之一。作為微納工程和細胞生物學的交叉產物，片上模型等組合創新產物旨在通過與傳感技術的協同作用來實現組織和器官水平的生理學模擬。這種片上模型的進一步開發需要類器官、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。目前，這種組織培養方法已被開發并用于臺式研究，從而促進了生物學研究的重大突破。然而，這些復雜的細胞模型也需要多路傳感系統和策略，并通過長期集成來獲取多種數據集。

近期，不依賴于潔凈室制造環境的混合制造策略，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——包括易于互相轉換的增材和減材制造方法，以及為實現光學清晰度而集成的具有成本效益的透明襯底材料（對細胞生物學研究中主要使用的透射光學顯微鏡至關重要），為功能器件的制造提供了很多益處。

在復合傳感系統中，電阻抗、電化學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據。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構中轉導電壓和電流信號，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（自發或誘導）。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用中非常重要的溫度和關鍵分析物濃度的監測。例如，對細胞培養物中溫度變化的精確控制確保了測量過程中的細胞內穩態，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對反應過程的實時無標記測量。這些附加的傳感/應用方法可以無縫集成到復雜的“片上”生物傳感器中，特別是當大部分細胞培養檢測發生在培養箱環境之外（可能導致劇烈的局部溫度變化），以及當有必要縱向分析細胞群的變化（分析物/營養物質消耗）時。

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

據麥姆斯咨詢報道，近期，中佛羅里達大學（University of Central Florida）等機構的研究人員利用微制造技術開發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據分析方法，因為該數據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據分析提供額外的支持。相關研究成果以“Microfabricated polymer-metal biosensors for multifarious data collection from electrogenic cellular models”為題發表于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微電極結構的電阻抗表征

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諧到生理相關范圍內）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阻抗進行表征

隨后，研究人員采用了簡化的血漿增強偶聯方案，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據的結果參數，以用于溫度和分析物檢測。

圖4 簡化制造的抗體耦聯叉指電極的電化學阻抗表征

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計的聚合物-金屬化合物生物傳感器的設計和開發過程，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構全面微生理系統（MPS）數據的收集。

審核編輯：劉清