Орган

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8062 (2023) Цитировать эту статью

1076 Доступов

Подробности о метриках

Непрерывный мониторинг микрофизиологии тканей является ключевой особенностью подхода «орган на чипе» (OoC) для скрининга лекарств in vitro и моделирования заболеваний. Интегрированные сенсорные блоки особенно удобны для мониторинга микросреды. Однако чувствительные измерения in vitro и в реальном времени затруднены из-за небольшого размера устройств OoC, характеристик часто используемых материалов и настроек внешнего оборудования, необходимых для поддержки сенсорных блоков. Здесь мы предлагаем гибридное кремниево-полимерное устройство OoC, которое обеспечивает прозрачность и биосовместимость полимеров в чувствительной области, а также обладает превосходными электрическими характеристиками и способностью размещать активную электронику из кремния. Это мультимодальное устройство включает в себя два сенсорных блока. Первый блок состоит из полевого транзистора с плавающим затвором (FG-FET), который используется для мониторинга изменений pH в зоне чувствительности. Пороговое напряжение FG-FET регулируется затвором с емкостной связью и изменениями концентрации заряда в непосредственной близости от выступа плавающего затвора, который действует как чувствительный электрод. Второй блок использует удлинение ФГ в качестве микроэлектрода для мониторинга потенциала действия электрически активных клеток. Компоновка чипа и его упаковка совместимы с многоэлектродными измерительными установками, которые обычно используются в электрофизиологических лабораториях. Многофункциональное восприятие демонстрируется путем мониторинга роста индуцированных кортикальных нейронов, происходящих из плюрипотентных стволовых клеток. Наш мультимодальный датчик является важной вехой в комбинированном мониторинге различных физиологически значимых параметров на одном устройстве для будущих платформ OoC.

Органы на чипах (OoC) — это устройства для динамических культур тканей, цель которых имитировать микрофизиологическую среду органов in vitro. Они использовались для повышения актуальности моделирования заболеваний и эффективности разработки лекарств1. Интеграция микрофлюидики в чипы открывает область химического анализа клеточных составов2, что имеет решающее значение, например, для мониторинга цитотоксичности3 и диагностики опухолей4. Однако при воспроизведении аспектов физиологии органов на чипе следует принимать во внимание несколько аспектов, таких как механические силы, действующие на ткани, электрофизиологическая передача сигналов между электрически активными типами клеток и мониторинг биологических сигналов во внеклеточном матриксе. Эти аспекты OoCs способны повысить надежность системы и физиологическую значимость5. В этом отношении решающее значение имеет непрерывный мониторинг биологических сигналов клеточных культур в режиме реального времени без методов терминальной оптической маркировки. Поэтому интеграция нескольких датчиков в OoC для измерений в реальном времени становится нормой, особенно для показателей окружающей среды, таких как pH или уровень кислорода6, благодаря чему электрохимическое зондирование особенно удобно. Поэтому производительность сенсорных блоков имеет решающее значение. Чтобы увеличить усиление выходного сигнала без необходимости использования внешних схем, полевые транзисторы (FET) были реализованы в качестве электрохимических датчиков для извлечения биохимически значимой информации7. В зависимости от покрытия электродов транзистора была продемонстрирована селективность по отношению к конкретным аналитам, как и в случае ионно-чувствительных полевых транзисторов (ISFET). ISFET используются уже более 50 лет для обнаружения изменений заряда8. Однако ISFET-транзисторы обычно нуждаются во внешнем и громоздком электроде сравнения, который вряд ли можно интегрировать в малогабаритные OoC-устройства. Кроме того, электрод сравнения обычно состоит из Ag/AgCl, и изменения заряда в непосредственной близости могут «отключить» канал9. Более того, датчики на основе полевых транзисторов обычно изготавливаются на непрозрачных подложках (например, кремния), что делает их непригодными для использования в устройствах OoC10.