基于MEMS技術(shù)的新型細(xì)胞傳感器及其在細(xì)胞電生理中應(yīng)用的研究.pdf

1、隨著生物醫(yī)學(xué)工程和微機(jī)械加工技術(shù)(micro electronic mechanicalsystem，MEMS)的發(fā)展，生物醫(yī)學(xué)傳感器的微型化使其研究的范圍已達(dá)到了細(xì)胞和分子水平。細(xì)胞擁有并表達(dá)著一系列分子識(shí)別的元件，如受體、離子通道、酶等，這些分子可以作為靶分析物，當(dāng)有外界刺激時(shí)，將按照固有的細(xì)胞生理機(jī)制進(jìn)行相應(yīng)的生理功能活動(dòng)。 基于MEMS技術(shù)的細(xì)胞傳感器(cell-based biosensor)包括有微電極陣列(micr

2、oelectrode array，MEA)、場(chǎng)效應(yīng)管(field effect transistor，F(xiàn)ET)陣列及光尋址電位傳感器陣列(light-addressable potentiometric sensor，IAPS)等，它們可用于實(shí)現(xiàn)細(xì)胞胞外電位的記錄。作為一種體外檢測(cè)的新型細(xì)胞芯片技術(shù)，其實(shí)質(zhì)就是在各陣列化的傳感器芯片表面培養(yǎng)細(xì)胞，使細(xì)胞通過(guò)一層薄的電解液同芯片的電極或柵極相耦合，構(gòu)成可以實(shí)現(xiàn)控制電路和神經(jīng)系統(tǒng)雙向通訊的生

3、物芯片，從而對(duì)細(xì)胞的電生理特性進(jìn)行傳感測(cè)量。該技術(shù)以其可對(duì)多個(gè)細(xì)胞同時(shí)進(jìn)行長(zhǎng)期、無(wú)損檢測(cè)的特點(diǎn)，已在藥物篩選、環(huán)境檢測(cè)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了初步的應(yīng)用。同時(shí)，基于體加工技術(shù)的芯片技術(shù)同樣適用于在體研究，從而在腦高級(jí)功能、神經(jīng)修復(fù)、以及人工器官等研究領(lǐng)域展現(xiàn)出了誘人的前景。 目前胞外電生理芯片很多已實(shí)現(xiàn)了商品化，其存在的主要問(wèn)題是測(cè)試參數(shù)的單一化、指標(biāo)的不穩(wěn)定、測(cè)試環(huán)境要求很高等?；诖?，本論文首先從基于MEA的細(xì)胞傳感器出發(fā)，介紹

4、了自主設(shè)計(jì)的用于細(xì)胞胞外電生理測(cè)試的MEA，分析其基本原理和電學(xué)模型以及制作工藝，并研究了心肌細(xì)胞、嗅覺(jué)細(xì)胞在其表面的生長(zhǎng)和電信號(hào)傳遞過(guò)程，此外，進(jìn)行了8通道動(dòng)作電位的并行檢測(cè)試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于細(xì)胞電生理檢測(cè)的集成芯片，用于實(shí)現(xiàn)多種參數(shù)實(shí)時(shí)無(wú)損測(cè)量，包括胞外多種不同離子(H<'+>、K<'+>、Ca<'2+>)的測(cè)試，胞外動(dòng)作電位的檢測(cè)，細(xì)胞貼壁的叉指電極(interdigital array，IDA)阻抗測(cè)量等，為集成化

5、細(xì)胞傳感器技術(shù)拓展了新的應(yīng)用領(lǐng)域。 本論文的主要內(nèi)容和貢獻(xiàn)在于： 1．深入研究了細(xì)胞-MEA、細(xì)胞-IDA、細(xì)胞-LAPs器件耦合機(jī)理及測(cè)量模型。通過(guò)研究細(xì)胞膜的特點(diǎn)及膜上離子通道的通透性和導(dǎo)電性，分析了Au/Si/SiO<,2>界面特點(diǎn)對(duì)細(xì)胞接觸的影響；在國(guó)外學(xué)者Kovacs、Fromherz等人建立的模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了電活性細(xì)胞-金屬、半導(dǎo)體界面的一種簡(jiǎn)化耦合模型；從而為本論文細(xì)胞傳感器的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)，也

6、為實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析提供了重要的依據(jù)。 2．提出了一種用于細(xì)胞外電生理測(cè)試的微電極陣列的設(shè)計(jì)方法，分析了其工作原理、界面模型及基于MEMS技術(shù)的微加工制作工藝。研究了心肌、嗅覺(jué)等多種細(xì)胞等在其表面的生長(zhǎng)和信號(hào)傳遞過(guò)程，進(jìn)行了多通道動(dòng)作電位的并行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該細(xì)胞傳感器可對(duì)多個(gè)細(xì)胞同時(shí)進(jìn)行長(zhǎng)期、無(wú)損的胞外測(cè)量，并具有制備簡(jiǎn)單、使用方便的特點(diǎn)，可應(yīng)用于細(xì)胞電生理研究和藥物檢測(cè)等領(lǐng)域。 3．提出了一種細(xì)胞電阻抗和細(xì)胞胞外代

7、謝離子與細(xì)胞動(dòng)作電位同時(shí)檢測(cè)的多功能集成芯片的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞多種電生理參數(shù)的實(shí)時(shí)無(wú)損測(cè)量。通過(guò)電阻抗快速反映細(xì)胞在體外培養(yǎng)環(huán)境下的生長(zhǎng)狀況，采用MEA進(jìn)行藥物刺激下細(xì)胞動(dòng)作電位的檢測(cè)；采用LAPS進(jìn)行細(xì)胞代謝產(chǎn)物中多種離子的濃度變化檢測(cè)。芯片各部分同時(shí)工作，利用流動(dòng)分析裝置控制流向和速度，從而可以按一定順序連續(xù)監(jiān)測(cè)細(xì)胞從正常生理狀態(tài)到藥物刺激下的形態(tài)變化、動(dòng)作電位以及代謝物質(zhì)的改變，從多個(gè)方面揭示細(xì)胞生理活動(dòng)的機(jī)理。該研究為集成化