生物傳感器(biosensor)，是一種對(duì)生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的儀器。是由固定化的生物敏感材料作識(shí)別元件(包括酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì))、適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器(如氧電極、光敏管、場(chǎng)效應(yīng)管、壓電晶體等等)及信號(hào)放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。生物傳感器具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能。

近日，據(jù)外媒報(bào)道，來自卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(CMU)和新加坡南洋理工大學(xué)(NTUSingapore)的研究人員開發(fā)了一種電子元器件平臺(tái)，該平臺(tái)使用生物電傳感器三維測(cè)量心臟細(xì)胞的電生理學(xué)。這些3D自動(dòng)滾動(dòng)生物傳感器陣列在心臟細(xì)胞球狀組織上形成一個(gè)“在線片上器官”，從而使研究人員能夠研究細(xì)胞如何在心臟等多細(xì)胞系統(tǒng)中相互通信。

來自卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和南洋理工大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種自動(dòng)滾動(dòng)的3D生物傳感器陣列，用于測(cè)量心臟細(xì)胞的電生理學(xué)

片上器官方法將有助于開發(fā)和評(píng)估用于疾病治療的藥物，甚至可以使研究人員直接在人類生物組織上篩選藥物和毒素，而不是在動(dòng)物組織上進(jìn)行測(cè)試。該平臺(tái)還將用于揭示心臟電信號(hào)與疾病(如心律失常)之間的聯(lián)系。該研究發(fā)表在ScienceAdvances上，研究人員可以研究目前無法獲取的細(xì)胞培養(yǎng)過程，如組織發(fā)育和細(xì)胞成熟。

“數(shù)十年來，電生理學(xué)是利用細(xì)胞和培養(yǎng)物在二維表面上進(jìn)行的，例如培養(yǎng)皿，我們一直試圖通過開發(fā)一種收縮包裹心臟細(xì)胞周圍傳感器的方法，并從這種組織中提取電生理信息，來規(guī)避讀取心臟3D電子模式的挑戰(zhàn)。”研究人員說。

“器上電子芯片”平臺(tái)最初是一個(gè)小而扁平的矩形，與微型手掌不同。一個(gè)平臺(tái)開始是一個(gè)僵硬的、像標(biāo)尺的結(jié)構(gòu)，但當(dāng)你釋放張力時(shí)，它很快會(huì)卷繞到手腕周圍。器官在電子芯片上也是類似的。研究人員將一系列由金屬電極或石墨烯傳感器制成的傳感器固定在芯片表面，然后蝕刻出一層鍺，這就是所謂的“犧牲層”。一旦移除該“犧牲層”，生物傳感器陣列就從其保持器中釋放并以桶形結(jié)構(gòu)從表面卷起。

研究人員測(cè)試了平臺(tái)上的心臟球體或由心臟細(xì)胞制成的細(xì)長(zhǎng)器官。這些3D心臟球體大約是2-3個(gè)人類頭發(fā)的寬度，通過球體盤繞平臺(tái)，研究人員可以高精度地收集電信號(hào)讀數(shù)。

“基本上，我們已經(jīng)創(chuàng)建了3D自動(dòng)滾動(dòng)生物傳感器陣列，用于探索誘導(dǎo)多能干細(xì)胞來源的心肌細(xì)胞的電生理學(xué)，”研究人員說。“這個(gè)平臺(tái)可用于研究心臟組織再生和成熟，例如，可能用于治療心臟病發(fā)作后的受損組織，或開發(fā)治療疾病的新藥。”

通過與研究人員的合作，研究人員能夠設(shè)計(jì)出一個(gè)概念驗(yàn)證并在3D微模成型的心肌細(xì)胞球體上進(jìn)行測(cè)試。“對(duì)卷起過程進(jìn)行力學(xué)分析，使我們能夠精確控制傳感器的形狀，確保傳感器與心臟組織之間的接觸是否一致，”研究人員說。“該技術(shù)還可以自動(dòng)調(diào)節(jié)傳感器和組織之間微妙“觸摸”的水平，從而測(cè)量高質(zhì)量的電信號(hào)，而不會(huì)因外部壓力而改變組織的生理?xiàng)l件。”

生物化學(xué)反應(yīng)過程產(chǎn)生的信息是多元化的，微電子學(xué)和現(xiàn)代傳感技術(shù)的成果已為檢測(cè)這些信息提供了豐富的手段。該研究的負(fù)責(zé)人最后表明，“整個(gè)想法是采用傳統(tǒng)上在平面幾何中完成的方法，并在三維中進(jìn)行，因?yàn)槲覀兊钠鞴俦举|(zhì)上是3D的。多年來，電生理學(xué)只使用在2D組織培養(yǎng)皿上培養(yǎng)的細(xì)胞完成。但現(xiàn)在，這些驚人的電生理學(xué)技術(shù)可以應(yīng)用于3D結(jié)構(gòu)。”