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

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

2、oelectrode array，MEA)、場效應管(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，它們可用于實現(xiàn)細胞胞外電位的記錄。作為一種體外檢測的新型細胞芯片技術(shù)，其實質(zhì)就是在各陣列化的傳感器芯片表面培養(yǎng)細胞，使細胞通過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，從而對細胞的電生理特性進行傳感測量。該技術(shù)以其可對多個細胞同時進行長期、無損檢測的特點，已在藥物篩選、環(huán)境檢測等生物醫(yī)學領(lǐng)域得到了初步的應用。同時，基于體加工技術(shù)的芯片技術(shù)同樣適用于在體研究，從而在腦高級功能、神經(jīng)修復、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現(xiàn)了商品化，其存在的主要問題是測試參數(shù)的單一化、指標的不穩(wěn)定、測試環(huán)境要求很高等?；诖?，本論文首先從基于MEA的細胞傳感器出發(fā)，介紹

4、了自主設(shè)計的用于細胞胞外電生理測試的MEA，分析其基本原理和電學模型以及制作工藝，并研究了心肌細胞、嗅覺細胞在其表面的生長和電信號傳遞過程，此外，進行了8通道動作電位的并行檢測試驗。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于細胞電生理檢測的集成芯片，用于實現(xiàn)多種參數(shù)實時無損測量，包括胞外多種不同離子(H<'+>、K<'+>、Ca<'2+>)的測試，胞外動作電位的檢測，細胞貼壁的叉指電極(interdigital array，IDA)阻抗測量等，為集成化

5、細胞傳感器技術(shù)拓展了新的應用領(lǐng)域。 本論文的主要內(nèi)容和貢獻在于： 1．深入研究了細胞-MEA、細胞-IDA、細胞-LAPs器件耦合機理及測量模型。通過研究細胞膜的特點及膜上離子通道的通透性和導電性，分析了Au/Si/SiO<,2>界面特點對細胞接觸的影響；在國外學者Kovacs、Fromherz等人建立的模型基礎(chǔ)上，進一步提出了電活性細胞-金屬、半導體界面的一種簡化耦合模型；從而為本論文細胞傳感器的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)，也

6、為實驗結(jié)果的分析提供了重要的依據(jù)。 2．提出了一種用于細胞外電生理測試的微電極陣列的設(shè)計方法，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、嗅覺等多種細胞等在其表面的生長和信號傳遞過程，進行了多通道動作電位的并行檢測。實驗結(jié)果表明，該細胞傳感器可對多個細胞同時進行長期、無損的胞外測量，并具有制備簡單、使用方便的特點，可應用于細胞電生理研究和藥物檢測等領(lǐng)域。 3．提出了一種細胞電阻抗和細胞胞外代

7、謝離子與細胞動作電位同時檢測的多功能集成芯片的設(shè)計方法，實現(xiàn)了細胞多種電生理參數(shù)的實時無損測量。通過電阻抗快速反映細胞在體外培養(yǎng)環(huán)境下的生長狀況，采用MEA進行藥物刺激下細胞動作電位的檢測；采用LAPS進行細胞代謝產(chǎn)物中多種離子的濃度變化檢測。芯片各部分同時工作，利用流動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)測細胞從正常生理狀態(tài)到藥物刺激下的形態(tài)變化、動作電位以及代謝物質(zhì)的改變，從多個方面揭示細胞生理活動的機理。該研究為集成化