微制造聚合物-金属生物传感器用于从生电细胞模型中获取多种数据

体外器官芯片模型最近已经成为最令人兴奋的新兴技术之一。作为微纳工程和细胞生物学的交叉产物，片上模型等组合创新产物旨在通过与传感技术的协同作用来实现组织和器官水平的生理学模拟。这种片上模型的进一步开发需要类器官、球状体和多细胞聚集体模型的精心制造，以便更好地在体外模拟人体系统。目前，这种组织培养方法已被开发并用于台式研究，从而促进了生物学研究的重大突破。然而，这些复杂的细胞模型也需要多路传感系统和策略，并通过长期集成来获取多种数据集。

近期，不依赖于洁净室制造环境的混合制造策略，特别是基于聚合物材料的方法已被用于生物传感器的制造。这些独特的方法——包括易于互相转换的增材和减材制造方法，以及为实现光学清晰度而集成的具有成本效益的透明衬底材料（对细胞生物学研究中主要使用的透射光学显微镜至关重要），为功能器件的制造提供了很多益处。

在复合传感系统中，电阻抗、电化学和电生理测量使用类似的读出方法（如阻抗频率扫描）增加从单个平台芯片收集的数据。三维（3D）微电极是用于细胞解析的下一代工具集的常见组件。这些工具从电活性细胞和细胞结构中转导电压和电流信号，以提供易于获得的功能指标，用于评估细胞健康、增殖和活动（自发或诱导）。用于此类测量的附加电极配置，如叉指电极（IDE），可用于提高测量的灵敏度，并用于传感来自细胞模型的多个特征。其中包括在细胞生物传感应用中非常重要的温度和关键分析物浓度的监测。例如，对细胞培养物中温度变化的精确控制确保了测量过程中的细胞内稳态，同时也可在需要时用于细胞热刺激。

此外，将分析物敏感传感器集成到多路芯片平台中，可在电生理和温度测量过程中实现对反应过程的实时无标记测量。这些附加的传感/应用方法可以无缝集成到复杂的“片上”生物传感器中，特别是当大部分细胞培养检测发生在培养箱环境之外（可能导致剧烈的局部温度变化），以及当有必要纵向分析细胞群的变化（分析物/营养物质消耗）时。

同时，微流控技术可以通过集成2D/3D端口来帮助实现各种测量。通过这些2D/3D端口，可以灌注用于局部化学刺激或营养补充的化合物和/或药物。这种基于微流控的集成技术还可以直接用于复杂的球形类器官，并在局部对这些类器官进行化学刺激，为细胞生长和附着以及在培养区域内精确放置提供新的途径。

据麦姆斯咨询报道，近期，中佛罗里达大学（University of Central Florida）等机构的研究人员利用微制造技术开发了一个紧凑的聚合物-金属生物传感器平台，用于各种“片上”应用。研究人员将3D微电极、3D微流控器件、叉指电极传感器和一个微加热器集成于同一芯片上。此外，该传感器平台利用基于阻抗的数据分析方法，因为该数据分析方法可以利用基于频率的底层电路特性为多种生物传感器数据分析提供额外的支持。相关研究成果以“Microfabricated polymer-metal biosensors for multifarious data collection from electrogenic cellular models”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

图1 聚合物-金属传感器平台制造工艺流程示意图

在具体的研究过程中，研究人员首先对3D微电极阻抗表征以及均方根（RMS）噪声水平进行了研究和建模，以验证该传感器用于电生理测量的适用性。

图2 3D微电极结构的电阻抗表征

接下来，研究人员使用耦合到电阻式微加热器（微加热器的加热温度被调谐到生理相关范围内）的薄膜叉指电极对差分温度记录进行了建模和演示。

图3 利用耦合的微加热器改变杜氏磷酸盐缓冲液（DPBS）温度，并对不同温度下所制造的叉指电极基材的电化学阻抗进行表征

随后，研究人员采用了简化的血浆增强偶联方案，并使用另一种集成叉指电极和抗L-谷氨酰胺抗体进行分析物检测。此外，研究人员利用复杂的阻抗建模来识别差分等效电路，并提取叉指电极阻抗数据的结果参数，以用于温度和分析物检测。

图4 简化制造的抗体耦联叉指电极的电化学阻抗表征

最后，研究人员提出了基于微流控器件端口的COMSOL有限元建模（FEM），以演示局部区域的精确灌注能力。

图5 恒定施加8 Pa灌注压力时微流控器件COMSOL模型示意图

总体而言，该研究展示了一种易于设计的聚合物-金属化合物生物传感器的设计和开发过程，并对其特性进行了表征。该传感器平台可用于促进生电细胞结构全面微生理系统（MPS）数据的收集。

审核编辑：刘清