微電極陣列細(xì)胞芯片的設(shè)計(jì)及其對心肌細(xì)胞生理特性的研究.pdf

1、細(xì)胞傳感器作為一類以活體細(xì)胞為一級傳感單元、換能器為二級傳感單元的器件，具有高靈敏度、低成本、高通量檢測等特點(diǎn)，是環(huán)境毒性研究、食品安全、藥物篩選等領(lǐng)域研究的有效手段并在近年來逐漸實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。微電極陣列(Microelectrode Arrays，MEAs)是以檢測電興奮類細(xì)胞如心肌細(xì)胞、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等的電生理活動的一類細(xì)胞傳感器。它因無損檢測、響應(yīng)速度快、制備工藝簡單、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)而具有廣泛的應(yīng)用前景。本論文基于微電極陣列，針對心肌細(xì)

2、胞的特性擴(kuò)展了其設(shè)計(jì)和功能，開發(fā)了具有多功能共同分析的細(xì)胞傳感器平臺，并研究了心肌細(xì)胞的生理特性及基于此的藥物毒性研究。所設(shè)計(jì)的平臺亦可推廣用于其它類型細(xì)胞的研究。
　　 本論文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)在于：
　　 一.深入分析微電極陣列胞外場電位的檢測機(jī)理，并應(yīng)用于實(shí)際細(xì)胞芯片的設(shè)計(jì)。
　　 本文基于金屬電極-電解液雙電層模型和離子通道模型，系統(tǒng)地研究了細(xì)胞與微電極耦合的點(diǎn)接觸模型。采用仿真軟件工具對胞內(nèi)外場電位的關(guān)

3、系進(jìn)行了深入的分析，闡述了細(xì)胞-微電極的界面特性對分析細(xì)胞胞內(nèi)外電位的影響。基于該模型的分析結(jié)果設(shè)計(jì)的細(xì)胞芯片表現(xiàn)出良好的生物相容性和穩(wěn)定性。細(xì)胞芯片成功記錄了心肌細(xì)胞、海馬區(qū)神經(jīng)元以及嗅覺細(xì)胞的胞外場電位信號，實(shí)際檢測結(jié)果與模型仿真結(jié)果具有較高的一致性。
　　 二.本文首次提出了設(shè)計(jì)不同尺度的電極陣列芯片實(shí)現(xiàn)對心肌細(xì)胞興奮-收縮偶聯(lián)以整體進(jìn)行分析的方法。
　　 根據(jù)心肌細(xì)胞的生長特點(diǎn)，將電極尺寸從微米級擴(kuò)展至毫米級，從

4、而在用微米級電極檢測細(xì)胞興奮電位的同時，使用毫米級的電極可同時檢測細(xì)胞的收縮電位，其幅度及持續(xù)時間和面積呈正相關(guān)，并采用常規(guī)的微管抑制劑驗(yàn)證了該方法的正確性。在此基礎(chǔ)上，基于電極-電解液雙電層的檢測機(jī)理，分析了機(jī)械搏動引起了雙電層電荷的排布變化，從而影響了電極電位的變化。根據(jù)該分析結(jié)果，將微米尺寸電極和大面積電極共同設(shè)計(jì)并采用統(tǒng)一電學(xué)方式檢測，實(shí)現(xiàn)了心肌細(xì)胞興奮-收縮偶聯(lián)的整體研究，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方式膜片鉗-熒光染色等方法的不足；該方法可進(jìn)

5、一步擴(kuò)展成以興奮-收縮偶聯(lián)機(jī)制為靶點(diǎn)的心臟藥物研究手段。
　　 三.提出了細(xì)胞電生理和形態(tài)多功能檢測的方法，設(shè)計(jì)了結(jié)合微電極陣列和細(xì)胞阻抗電極復(fù)合細(xì)胞芯片，并共同完成了基于該復(fù)合細(xì)胞芯片檢測的自動分析儀的設(shè)計(jì)制作，建立了藥物分析的研究平臺。
　　 將微電極陣列和檢測細(xì)胞-電極阻抗的叉指電極對集成于同一芯片內(nèi)，在一次實(shí)驗(yàn)中同時記錄細(xì)胞的胞外電生理和形態(tài)的變化。芯片應(yīng)用于蒽環(huán)類抗癌藥物阿霉素的心臟毒性研究，將分析結(jié)果和傳統(tǒng)心