【摘要】：細胞傳感器作為一類以活體細胞為一級傳感單元、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，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現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。微電極陣列(Microelectrode Arrays，MEAs)是以檢測電興奮類細胞如心肌細胞、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等的電生理活動的一類細胞傳感器。它因無損檢測、響應(yīng)速度快、制備工藝簡單、可擴展性強等特點而具有廣泛的應(yīng)用前景。

本論文基于微電極陣列，針對心肌細胞的特性擴展了其設(shè)計和功能，開發(fā)了具有多功能共同分析的細胞傳感器平臺，并研究了心肌細胞的生理特性及基于此的藥物毒性研究。所設(shè)計的平臺亦可推廣用于其它類型細胞的研究。本論文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點在于：

一.深入分析微電極陣列胞外場電位的檢測機理，并應(yīng)用于實際細胞芯片的設(shè)計。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)地研究了細胞與微電極耦合的點接觸模型。采用仿真軟件工具對胞內(nèi)外場電位的關(guān)系進行了深入的分析，闡述了細胞-微電極的界面特性對分析細胞胞內(nèi)外電位的影響。基于該模型的分析結(jié)果設(shè)計的細胞芯片表現(xiàn)出良好的生物相容性和穩(wěn)定性。細胞芯片成功記錄了心肌細胞、海馬區(qū)神經(jīng)元以及嗅覺細胞的胞外場電位信號，實際檢測結(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)計小同尺度的電極陣列芯片實現(xiàn)對心肌細胞興奮-收縮偶聯(lián)以整體進行分析的方法。根據(jù)心肌細胞的生長特點，將電極尺寸從微米級擴展至毫米級，從而在用微米級電極檢測細胞興奮電位的同時，使用毫米級的電極可同時檢測細胞的收縮電位，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理，分析了機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)該分忻結(jié)果，將微米尺寸電極和大面積電極共同設(shè)計并采用統(tǒng)一電學(xué)方式檢測，實現(xiàn)了心肌細胞興奮-收縮偶聯(lián)的整體研究，彌補了傳統(tǒng)方式膜片鉗-熒光染色等方法的不足；該方法可進一步擴展成以興奮-收縮偶聯(lián)機制為靶點的心臟藥物研究手段。

三.提出了細胞電生理和形態(tài)多功能檢測的方法，設(shè)計了結(jié)合微電極陣列和細胞阻抗電極復(fù)合細胞芯片，并共同完成了基于該復(fù)合細胞芯片檢測的自動分析儀的設(shè)計制作，建立了藥物分析的研究平臺。將微電極陣列和檢測細胞-電極阻抗的叉指電極對集成于同一芯片內(nèi)，在一次實驗中同時記錄細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)心肌細胞研究方法及臨床出現(xiàn)的癥狀進行對比分析，證明了平臺的有效性，提出了將長時程檢測中出現(xiàn)的癥狀按時間點排布，得到的藥物作用時間譜可直觀地描繪其誘發(fā)的心臟毒性的癥狀變化過程。共同設(shè)計了基于復(fù)合細胞芯片自動分析儀的設(shè)計制作；實現(xiàn)了細胞生理多參數(shù)的自動化分析；初步探索了心臟毒性的檢測和評價方法。