CN102636530A

CN102636530A - 一种用于原位细胞电化学和显微检测的微电极阵列电解池

Info

Publication number: CN102636530A
Application number: CN2012100799829A
Authority: CN
Inventors: 林昌健; 张帆; 陈勇
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2012-08-15

Abstract

一种用于原位细胞电化学和显微检测的微电极阵列电解池，涉及一种静态和流动的电解池。设有钛微电极阵列芯片、细胞培养槽和外接线路；所述钛微电极阵列芯片自下至上设有基底、钛膜层和绝缘保护层，所述钛微电极阵列上设有连接导线；所述外接线路设有集成电路板的插槽端口、金属夹子和导线，所述钛微电极阵列芯片两侧直接插入插槽端口中，所述钛微电极阵列的各个微电极分别与插槽端口和导线导通。制作简单，加工成本低，便于市场推广。钛微电极阵列芯片和小型细胞培养槽可极大程度地减少细胞、培养液和其它实验试剂的用量，降低实验成本。

Description

一种用于原位细胞电化学和显微检测的微电极阵列电解池

技术领域

本发明涉及一种静态和流动的电解池，特别涉及一种集成钛微电极阵列芯片，可作为在生物材料表面细胞培养过程进行原位电化学和显微方法联合检测的电解池。

背景技术

微电极阵列(Micro electrode array，MEA)芯片可实现生物材料与细胞相互作用的高通量电化学研究。通过在玻璃、硅基底材料或柔性聚合物材料表面用MEMS加工技术将Au、Ir或Pt等金属沉积在其表面形成电极和引线，采用钝化层保护引线，在电极上暴露与细胞接触区域，制成MEA，传输并记录细胞动作电位频率、幅度、波形以及细胞网络间信号传播速度等参数。由于其具有制作简单、生物相容性佳、可与传统显微镜观察并行使用等优点，目前在细胞传感器研究领域得到了广泛应用。利用超微电极阵列还可通过对单个细胞进行多位点刺激，实现在时域和空间域两个方面对细胞的研究。微电极阵列将几十甚至上百个电生理检测通道集成在同一基底上，电极尺寸、间距一致性好，体积小，空间分辨率高，可制备成各种形式，分别适用于动物体内或离体细胞电生理信号的多通道同步记录。微电极可以很方便地与各种纳米修饰技术进行结合，从而改善微电极性能，满足其生物相容性、长效性以及信噪比的需要。不少文献报道应用MEA开展神经元、视网膜、心肌细胞、内皮细胞、乳癌细胞和类成骨细胞等的电化学检测，并且市场上出现了商品化的MEA及其专用的电解池。但是，目前的研究和商品主要以金的微电极阵列为主，仍然还未发现相关文献报道关于钛的微电极阵列及其在生物材料与细胞相互作用方面的电化学应用研究。而且其专用的电解池存在各种问题：或者无法进行细胞培养，或者只能进行单纯的电化学检测而无法联用显微镜观察，或者电解池溶液用量较大，或者使用的电解池加工材料比较贵，或者电解池加工程序复杂，或者需要在MEA上直接进行繁琐的电路焊接，或者需要对电解池进行粘合胶包封等。本发明涉及的钛微电极阵列芯片专用的电解池解决了上述问题。细胞与生物材料相互作用的原位电化学研究具有体系复杂、实验难度大、操作程序多、实验周期长等特点，亟需发展高通量的生物芯片技术。钛MEA芯片用于细胞-材料相互作用的电化学研究，其优点在于钛金属材料本身生物相容性好、钛金属表面还易进行各种涂覆、沉积、组装等生物学改性和修饰、钛材料还价廉易得。微电极阵列芯片的高通量特性展示了许多优势。芯片集成的多个微电极端口一方面可一次性地获得多组具有重现性的实验数据，便于细胞的统计分析；另一方面提供了不同的电流控制点，便于进行不同的表面电化学修饰，产生不同的研究表面。同时，适当尺寸的微电极可进行细胞定位和计数。应用电化学交流阻抗谱可实时研究细胞和医用金属生物材料的相互作用。目前已经存在关于钛板或钛箔表面细胞的原位电化学监测电解池([10]S.Hiromoto，K.Noda，T.Hanawa，Corros.Sci.，44(2002)；[11]S.Hiromoto，K.Noda，T.Hanawa，Electrochim.Acta，48(2002)。)。但是，还未有相关的文献报道结合钛MEA芯片并应用于细胞和生物材料相互作用研究的小型电解池。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于原位细胞电化学和显微检测的微电极阵列电解池。

本发明设有钛微电极阵列(MEA)芯片、细胞培养槽(或细胞培养室)和外接线路；所述钛微电极阵列(MEA)芯片自下至上设有基底、钛膜层和绝缘保护层，所述钛微电极阵列上设有连接导线；所述外接线路设有集成电路板的插槽端口、金属夹子和导线，所述钛微电极阵列芯片两侧直接插入插槽端口中，所述钛微电极阵列的各个微电极分别与插槽端口和导线导通。

所述钛微电极阵列可由4×4个尺寸大于40μm的钛微电极组成；所述基底可采用玻璃基底；所述钛膜层的厚度可为20～30nm，钛膜层具有一定的透光性和导电性；为了便于钛微电极阵列与外接导线连接，微电极阵列上的连接导线末端的宽度可为2mm，连接导线的间隔可为2mm。

所述钛微电极阵列芯片可采用以下方法制备：

将钛微电极阵列打印在透明塑料膜上，再通过光刻和湿法刻蚀技术制得。

所述细胞培养槽(或细胞培养室)可采用静态细胞培养槽或流动细胞培养室两种设计方案。

对于静态细胞培养槽，在微电极阵列芯片中间，可使用厚度都约为2mm的硅橡胶垫片和聚丙烯塑料，通过螺丝钉和螺母机械固定，形成一个直径为6mm的敞露静态细胞培养槽。Pt对电极和Ag/AgCl参比电极可以直接插入静态细胞培养槽中，进行电化学测量。该静态细胞培养槽在灭菌后可以放置于细胞培养皿，并在细胞培养箱中进行细胞培养。

对于流动细胞培养室，在微电极阵列芯片中间，可使用厚度都约为2mm的硅橡胶垫片和聚丙烯塑料以及厚度约为1mm的载玻片，通过螺丝钉和螺母机械固定，形成一个直径为6mm的密封细胞培养室。硅橡胶垫片经过打孔后，连接针头、导管、注射器和废液管，形成一个流动的细胞培养室。硅橡胶垫片经过打孔后可插入Pt对电极和Ag/AgCl参比电极，进行电化学测量。经过高压锅灭菌后该流动电解池可以直接在细胞培养箱中进行细胞培养。

所述钛微电极阵列的各个微电极可通过机械固定分别与插槽端口和导线导通。对电极和参比电极可与连接有外接导线的夹子导通。对于静态细胞培养槽，外接线路还需要用AB胶固定在开有孔洞的细胞培养皿中。

本发明的制作简单，加工成本低，便于市场推广。钛微电极阵列芯片和小型细胞培养槽(或细胞培养室)可极大程度地减少细胞、培养液和其它实验试剂的用量，降低实验成本。

本发明给出一种细胞培养过程的原位电化学和显微方法联合检测并集成钛MEA芯片的电解池，该钛微电极阵列芯片可应用于生物材料与细胞相互作用的高通量研究。通过控制微电极阵列的表面电流，可对不同的电极进行不同的电化学修饰，在微阵列电极上集成多种生物材料表面，并进一步应用于细胞研究。设计并制作了静态和流动的电解池，可用于钛MEA芯片表面细胞培养过程的原位电化学和显微方法联合检测。

附图说明

图1为微电极阵列的掩模板整体设计图。在图1中，各标记为：1、微电极，2、导线，3、外接线端。

图2为图1的微电极区局部放大图。在图2中，各标记为：1、微电极，2、导线。

图3为在微图案化光刻胶BP212表面培养5天后的MG63细胞显微图。在图3中，各标记为：4、玻璃，5、光刻胶，6、细胞；标尺为40μm。

图4为微电极阵列芯片上钛微电极显微图。在图4中，各标记为：2、导线，5、光刻胶，7、裸露钛微电极；标尺为200μm。

图5为含有外接线路的带有三电极系统并集成微电极阵列芯片的静态电解池整体三维实体示意图。在图5中，各标记为：3、为外接线端，8，插槽端口，9、对电极，10、参比电极，11、细胞培养槽，12、聚丙烯塑料，13、螺丝钉与螺母。

图6为电解池中聚丙烯的结构示意图。在图6中，标记12为聚丙烯塑料；标尺为100nm。

图7为电解池中硅橡胶的结构示意图。在图7中，标尺为5mm。

图8为带有三电极系统并集成微电极阵列芯片的静态电解池纵剖面示意图。在图8中，各标记为：9、对电极，10、参比电极，11、细胞培养槽，12、聚丙烯塑料，13、螺丝钉与螺母，14、微电极阵列芯片，15、硅橡胶；标尺为10mm。

图9为在静态电解池中培养1天后MG63细胞的原位显微图。在图9中，标尺为20μm。

图10为含有外接线路的带有三电极系统并集成微电极阵列芯片的流动电解池整体三维实体示意图。在图10中，各标记为：3、外接线端，8，插槽端口，12、聚丙烯塑料，13、螺丝钉与螺母，16、细胞培养室。

图11为不含外接线路的带有三电极系统并集成微电极阵列芯片的流动电解池三维实体示意图。在图11中，各标记为：4、玻璃，12、聚丙烯塑料，13、螺丝钉与螺母，14、微电极阵列芯片，15、硅橡胶，16、细胞培养室。

图12为带有三电极系统并集成微电极阵列芯片的流动电解池纵剖面示意图。在图12中，各标记为：4、玻璃，13、螺丝钉与螺母，15、硅橡胶，16、细胞培养室。12、聚丙烯塑料，9、对电极，10、参比电极，14、微电极阵列芯片，17、针头入口，18、针头出口，19、导管；标尺10mm。

具体实施方式

实施例1

本发明用于细胞培养过程的原位电化学和显微方法联合检测并集成钛微电极阵列芯片的电解池主要分为静态和流动两种，并设有钛微电极阵列芯片、细胞培养槽(或细胞培养室)和外接线路三部分。

(1)钛微电极阵列芯片的制作

使用L-EDIT 11.1软件设计了各种不同尺寸(大于40μm)的MEA芯片，用于生物材料的高通量研究。图1中包含有4×4个裸露尺度为100×100μm²的正方MEA，电极间隔为300μm，最小的导线宽度为50μm。位于微电极附近的坐标和标尺用于识别各个微电极(如图2)。为了便于微电极阵列与外接导线连接，MEA芯片上的导线末端的宽度设计为2mm，导线间隔也为2mm。导线末端分布于芯片的两侧。这样的设计与集成电路板的插槽端口的导线分布相一致，使得芯片两侧可直接插入插槽端口，并最终与外接导线连通。

使用高分辨的激光打印机，把设计的微图案打印到透明塑料膜上(清溢精密光电(深圳)有限公司)，得到菲林掩模板。再通过光刻和湿法刻蚀技术制得钛微电极阵列芯片。具体实验如下：先将载玻片对半切割，并放在铬酸洗液(重铬酸钾21g、浓硫酸333.3mL和去离子水66.67mL的混合溶液)中浸泡过夜，然后用去离子水冲洗。接着在丙酮溶液中超声清洗3～5分钟，在无水乙醇中超声清洗3～5分钟，前后反复两遍，然后用去离子水冲洗。通过磁控溅射技术，在玻璃表面溅射30～60min，制得钛膜。或者利用电子束蒸发镀膜仪制备厚度为30nm左右的钛膜。然后将光刻胶BP212以转速3000rpm旋转30s，涂覆于钛膜表面。在90℃烘箱中前烘15min，用掩模对准曝光机曝光25s，显影60s之后，在140℃烘箱中坚膜15min，获得了微图案化的光刻胶表面。接着将8mL HF、59.04mL HNO₃和252.96mL H₂O混合，制得1％HF和12％HNO3的刻蚀液。将钛膜表面微图案化的光刻胶浸泡在刻蚀液中100～210s(对于磁控溅射的钛膜)或者5～7s(对于电子束蒸发镀的钛膜)，同时不停地震荡。取出刻蚀后的钛膜，用去离子水冲洗。用无水乙醇清洗掉钛膜表面的光刻胶，获得了没有包封的钛MEA。虽然光刻胶性质不稳定，在长时间放置后稳定性变差，不能理想地抵抗热处理，容易脱落，不是最佳的包封材料。但由于光刻胶BP212具有绝缘性，同时又没有明显生物毒性(如图3)，所以在一定程度上基本满足本研究工作需求。在本研究中我们采用光刻胶BP212包封MEA的连接导线。同样经过甩胶、前烘、对准曝光、显影和坚膜，最终制得MEA芯片。图4中红色区域为包封的光刻胶，白色光亮孔洞为裸露的尺寸为100×100μm²的正方形钛微电极。

(2)细胞培养槽的设计

设计了一个可用于细胞培养和电化学测试的静态细胞培养槽(如图5所示)。先在尺寸为10×60mm²的聚丙烯塑料中央位置钻个直径为6mm的孔洞，分别在其两端距各边沿5mm处钻两个直径为2mm的孔洞(如图6所示)。在尺寸为10mm×10mm的硅橡胶中心挖个直径为6mm的孔洞(如图7所示)。然后在微电极阵列芯片的中间，使用厚度都约为2mm的硅橡胶垫片和聚丙烯塑料，通过螺丝钉和螺母机械固定，形成一个直径为6mm的敞露细胞培养槽(如图8所示)。Pt对电极和Ag/AgCl参比电极可以直接插入电解池中，进行电化学测量。在细胞培养过程中静态电解池的培养基最大容量约为150μL。该电解池可以采用两步骤法进行灭菌。首先，组装在一起的硅橡胶垫片、聚丙烯塑料、参比电极、对电极和MEA芯片可以在高压灭菌锅中灭菌，然后放置在培养皿中进行细胞培养。然后，用AB胶固定着导线、夹子和插槽的聚苯乙烯培养皿可用紫外线和医用酒精进行灭菌。接着在无菌的操作下将MEA芯片两侧的导线末端插入集成电路板的插槽端口中，并通过机械固定使得微电极与插槽端口的线路导通；由于插槽端口焊接外接导线，最终使得MEA与外导线连通，从而形成一个活细胞的原位电化学和显微方法联合检测的电解池。在不加入三电极的情况下，以玻璃片为基底，在该静态电解池中成功培养了MG63细胞(如图9所示)。

实施例2

步骤(1)与实施例1相同。

(2)细胞培养槽的设计

用于细胞培养的静态电解池需要采用两步骤法进行灭菌，并需要在无菌操作下进行组装，复杂的操作容易带来污染，使得细胞在原位电化学检测之后无法继续存活，为此有必要对该电解池进行改进。改进的方法有两种，第一种是将聚苯乙烯细胞培养皿换成玻璃细胞培养皿，使得整个电解池可以一次性地在高压灭菌锅中灭菌。在MEA芯片的中间，使用厚度都约为2mm的硅橡胶垫片和聚丙烯塑料，通过螺丝钉和螺母机械固定，形成一个直径为6mm的敞露细胞培养槽(如图8所示)。Pt对电极和Ag/AgCl参比电极可以直接插入培养槽中，进行电化学测量。可将MEA芯片两侧的导线末端插入集成电路板的插槽端口中，通过机械固定使得微电极与插槽端口的线路导通，再在插槽端口焊上外接导线，最终使得微电极阵列与外导线连通。导线、夹子和插槽可用AB胶固定在开有孔洞的玻璃细胞培养皿上，从而形成一个活细胞的原位电化学和显微方法联合检测的电解池。该电解池整体可放在高压锅中灭菌。由于插槽端口进水会导致短路，该电解池整体灭菌后需要烘干。

实施例3

步骤(1)与实施例1相同。

(2)细胞培养室的设计

改进的第二种方法是采用图10所示的流动电解池。同样，先在尺寸为10×60mm²的聚丙烯塑料中央位置钻个直径为6mm的孔洞，分别在其两端距各边沿5mm处钻两个直径为2mm的孔洞(如图6所示)。在尺寸为10mm×10mm的硅橡胶中心挖个直径为6mm的孔洞(如图7所示)。然后在MEA芯片的中间，使用厚度都约为2mm的硅橡胶垫片和聚丙烯塑料以及厚度约为1mm的载玻片(10mm×10mm)，通过螺丝钉和螺母机械固定，形成一个直径为6mm的密封培养室。硅橡胶垫片经过打孔后，连接针头、导管、注射器和废液管，形成一个流动的细胞培养室。硅橡胶垫片经过打孔后可插入Pt对电极和Ag/AgCl参比电极(如图11)。MEA芯片两侧的导线末端可插入集成电路板的插槽端口中，通过机械固定使得微电极与插槽端口及其导线导通(如图10)。对电极和参比电极可与焊接有外接导线的夹子导通。该电解池整体可放在高压灭菌锅中灭菌。由于插槽端口进水会导致短路，该电解池整体灭菌后需要烘干。同样可以采用两步骤法对该流动电解池进行灭菌。图11所示带有对电极和参比电极的细胞培养室可先进行高压灭菌并培养细胞，由于该培养培养室是一个密封的安全体系，插槽端口可以在紫外灭菌后，在普通条件下与固定有培养室的MEA芯片组装，从而形成一个活细胞的原位电化学和显微方法联合检测的电解池。

Claims

1.一种用于原位细胞电化学和显微检测的微电极阵列电解池，其特征在于设有钛微电极阵列芯片、细胞培养槽和外接线路；所述钛微电极阵列芯片自下至上设有基底、钛膜层和绝缘保护层，所述钛微电极阵列上设有连接导线；所述外接线路设有集成电路板的插槽端口、金属夹子和导线，所述钛微电极阵列芯片两侧直接插入插槽端口中，所述钛微电极阵列的各个微电极分别与插槽端口和导线导通。

2.如权利要求1所述的一种用于原位细胞电化学和显微检测的微电极阵列电解池，其特征在于所述钛微电极阵列由4×4个尺寸大于40μm的钛微电极组成。

3.如权利要求1所述的一种用于原位细胞电化学和显微检测的微电极阵列电解池，其特征在于所述基底采用玻璃基底。

4.如权利要求1所述的一种用于原位细胞电化学和显微检测的微电极阵列电解池，其特征在于所述钛膜层的厚度为20～30nm。

5.如权利要求1所述的一种用于原位细胞电化学和显微检测的微电极阵列电解池，其特征在于所述微电极阵列上的连接导线末端的宽度为2mm，连接导线的间隔为2mm。

6.如权利要求1所述的一种用于原位细胞电化学和显微检测的微电极阵列电解池，其特征在于所述钛微电极阵列芯片采用以下方法制备：

7.如权利要求1所述的一种用于原位细胞电化学和显微检测的微电极阵列电解池，其特征在于所述细胞培养槽采用静态细胞培养槽或流动细胞培养室。

8.如权利要求7所述的一种用于原位细胞电化学和显微检测的微电极阵列电解池，其特征在于采用静态细胞培养槽时，在微电极阵列芯片中间使用厚度均为2mm的硅橡胶垫片和聚丙烯塑料，通过螺丝钉和螺母机械固定，形成一个直径为6mm的敞露静态细胞培养槽；Pt对电极和Ag/AgCl参比电极直接插入静态细胞培养槽中，进行电化学测量；所述静态细胞培养槽在灭菌后放置于细胞培养皿，并在细胞培养箱中进行细胞培养。

9.如权利要求7所述的一种用于原位细胞电化学和显微检测的微电极阵列电解池，其特征在于采用流动细胞培养室时，在微电极阵列芯片中间使用厚度均为2mm的硅橡胶垫片和聚丙烯塑料以及厚度为1mm的载玻片，通过螺丝钉和螺母机械固定，形成一个直径为6mm的密封细胞培养室；硅橡胶垫片经过打孔后，连接针头、导管、注射器和废液管，形成一个流动的细胞培养室；硅橡胶垫片经过打孔后插入Pt对电极和Ag/AgCl参比电极，进行电化学测量，经过高压锅灭菌后该流动电解池直接在细胞培养箱中进行细胞培养。

10.如权利要求1所述的一种用于原位细胞电化学和显微检测的微电极阵列电解池，其特征在于所述钛微电极阵列的各个微电极通过机械固定分别与插槽端口和导线导通，对电极和参比电极与连接有外接导线的夹子导通。