CN107354087A - 一种基于可降解生物传感器的心肌细胞生长状态监控系统 - Google Patents

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    • G01N33/502—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing involving human or animal cells for testing or evaluating the effect of chemical or biological compounds, e.g. drugs, cosmetics for testing non-proliferative effects

Abstract

本发明提供了一种基于可降解生物传感器的心肌细胞生长状态监控系统，所述的心肌细胞生长状态监控系统包括可降解生物传感器以及源表测试设备；所述的传感器包括玻片衬底、设在玻片衬底上的黑磷和设在黑磷上的金属电极；所述的衬底为玻片；所述的黑磷为致密的黑磷薄膜；所述的金属电极为金和钛；所述的源表测试设备用于提供电流或电压源和信号采集。本发明的有益效果如下：基于本发明所获得的基于可降解生物传感器的心肌细胞生长状态监控系统。以解决在培养过程中，心肌细胞活性及生物信号实时无害采集的问题。

Description

一种基于可降解生物传感器的心肌细胞生长状态监控系统
技术领域
本发明涉及一种基于可降解生物传感器的心肌细胞生长状态监控系统。本发明属生物传感器领域。
背景技术
近年来纳米材料被广泛应用于生物医药领域，比如石墨烯、氧化石墨烯等具有良好的生物兼容性，可以作为细胞培养的支撑物。但是石墨烯材料很难被降解，而且脱落的微小碎片会污染细胞培养液。需要探寻无损害无污染的培养支撑物。另外，细胞活性是进行细胞生物学实验的一项重要指标，是评价细胞培养、细胞毒性及生理研究的基础。目前关于细胞活性的检测方法多种多样，如四唑盐（MTT）比色法，膜片钳胞内电势检测等。MTT比色法操作复杂，而且溶解甲瓒的有机溶剂对实验者也有损害。膜片钳检测对设备要求高并且会破坏细胞。亟需一种原位实时监测所培养细胞活性的方法。
黑磷是一种新型二维半导体材料，它的高迁移率（~1000 cm2/Vs）、可降解性和良好的生物兼容性使其成为生物应用领域最有潜力的候选者，特别是用作生物电学材料。利用黑磷作为细胞培养支撑材料，生物兼容性好，而且可自行降解。比如用作培养支撑物进行干细胞的培养和分化，可以提高再生心肌细胞的传导性和成熟度。同时，优异的电学性质使黑磷在生物传感方面极具前景，能够实现快速灵敏检测。
基于上述背景，本发明提出一种基于可降解生物传感器的心肌细胞生长状态监控系统。
发明内容
本发明提出一种基于可降解生物传感器的心肌细胞生长状态监控系统。以解决在培养过程中，心肌细胞活性及生物信号实时无害采集的问题。
本发明的技术方案如下：
一种基于可降解生物传感器的心肌细胞生长状态监控系统，所述的心肌细胞生长状态监控系统包括可降解生物传感器以及源表测试设备。
所述的传感器包括玻片衬底、设在玻片衬底上的黑磷和设在黑磷上的金属电极；
所述的衬底为玻片（Glass）；
所述的黑磷为致密的黑磷薄膜，用于支撑多能干细胞的培养和分化，同时充当传感器通道；
所述的金属电极为金和钛，两者均无生物毒性。
所述的源表测试设备用于提供电流或电压源和信号采集。
一种基于可降解生物传感器的心肌细胞生长状态监控系统的构建方法，包括如下步骤：
1）在玻片衬底上制备致密的黑磷薄膜；
2）通过电子束曝光（EBL）和金属薄膜沉积技术在黑磷上沉积两个平行的同尺寸金属电极（间距0.1-1cm）。金（500 nm）/钛（5 nm），钛金属层起到增强粘附作用；电极用300 nm氧化铝绝缘层保护；由电极引出的导线为有绝缘层保护的；
3）将传感芯片浸入细胞培养液中，在黑磷培养支撑物上添加少量基质胶（Matrigel）涂层，滴加多能干细胞悬液，培养人类多能干细胞并诱导其分化成心肌细胞；
4）保证细胞与黑磷充分接触，待人类多能干细胞诱导分化心肌细胞时，细胞自身的电活动会引起通道电信号的变化；
5）连接外部电路，通过源表测试设备设定恒定偏压，传感器实时记录细胞生长过程中产生的电生理信号。
优选地，两个金属电极间距为1cm。
本发明基于黑磷材料的高载流子迁移率，制备出高灵敏度生物传感器。所培养的细胞会有电生理活动，心肌组织受到刺激时会引起特定离子通道的开放及带电离子的跨膜运动，从而引起膜电位的波动，同时胞内外会产生电势的变化。胞外电势的变化对黑磷层起到了电场调制（gating）的作用，引起黑磷的载流子迁移率以及费米面的变化【1】【2】，因而紧密接触的黑磷通道的电流会随之而变。因而在心肌细胞跳动时，基于黑磷的生物传感器会灵敏检测到电信号的微弱变化。可以通过生物传感器的所记录的电信号实时观测细胞的生理活性。该监控系统可以检测病变细胞的活性特征，同时可以用于研究药物对心肌细胞的影响，对于细胞培养和医疗诊断具有很重要的意义。黑磷同时充当传感器通道和培养细胞的基底支撑物，待培养结束，黑磷材料逐渐降解成磷酸根离子和亚磷酸根离子等安全的小分子产物。不会对细胞造成毒害。
参考文献：
【1】 Hess, L.H., et al., Graphene Transistor Arrays for Recording ActionPotentials from Electrogenic Cells. Advanced Materials, 2011, 23(43)
【2】Cohen-Karni, T., et al., Graphene and Nanowire Transistors forCellular Interfaces and Electrical Recording. Nano Letters, 2010, 10(3)
有益效果：基于本发明所获得的基于可降解生物传感器的心肌细胞生长状态监控系统。以解决在培养过程中，心肌细胞活性及生物信号实时无害采集的问题。
附图说明
图1是本发明的结构与原理示意图。整个测试在细胞培养液中进行，导线有绝缘层包裹。
图2是传感器沟道电导随时间变化示意图。
其中，1为器皿，2为玻片，3-1、3-2为电极，4为黑鳞，5为氧化铝绝缘层，6为源极，7为漏极。
具体实施方式
本发明中所述的衬底为玻片（Glass）；
本发明中所用的纳米材料为黑磷；
本发明中所用的源表测试设备为美国吉时利数字源表（型号keithley 2612）；
本发明中： “电子束曝光”和“金属薄膜沉积技术”属于本领域常规技术，请参考以下文献：
【3】Miao, J., et al., Black Phosphorus Schottky Diodes: Channel LengthScaling and Application as Photodetectors. Advanced Electronic Materials,2016, 2(4)
实施例1 构建基于可降解生物传感器的心肌细胞生长状态监控系统
如图1所示，本实施例的基于可降解生物传感器的心肌细胞生长状态监控系统，
所述的心肌细胞生长状态监控系统包括可降解生物传感器以及源表测试设备。所述的传感器包括玻片衬底、设在玻片衬底上的黑磷和设在黑磷上的金属电极；
所述的衬底为玻片（Glass）；
所述的黑磷为致密的黑磷薄膜，用于支撑多能干细胞的培养和分化，同时充当传感器通道；
所述的金属电极为金和钛，两者均无生物毒性。
所述的源表测试设备用于提供电流或电压源和信号采集。
构建基于可降解生物传感器的心肌细胞生长状态监控系统的具体步骤如下：
1）在玻片衬底上，通过制备致密的黑磷薄膜。
2）通过电子束曝光和金属薄膜沉积技术在黑磷上沉积两个平行的同尺寸电极（间距1cm），分别为金（500 nm）/钛（5 nm）， 钛金属层起到增强粘附作用。电极用300 nm氧化铝绝缘层保护。由电极引出的导线为有绝缘层保护的。
3）用75%的酒精将器件消毒，利用磷酸盐缓冲液（PBS）冲洗。在传感器通道黑磷上添加少量Matrigel涂层。
4）将传感芯片浸入带有细胞培养液的器皿中，滴加多能干细胞悬液，定期更换溶液。先利用分化溶液培养多能干细胞，之后在培养体系中加入小分子化合物诱导其分化，继续进行培养。
5）黑磷通道与细胞充分接触，连接外部电路，待人类多能干细胞诱导分化成心肌细胞的时候，细胞自身的电活动会引起通道电信号的变化。
6）连接外部电路，通过Keithley 2612源表加10mV恒定偏压，细胞跳动引起传感器沟道电流信号的变化。分析信号峰的峰宽、幅度等可以得到细胞的生理活性信息。分析得到传感器沟道电导随时间变化示意图，如图2。
从图2可以看出： 传感器沟道电导的实时变化，可以获取细胞跳动周期，信号幅度及波形等信息。从而实现细胞活性的监测及信号采集。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式的限制。凡是依据本发明的技术和方法实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术和方法方案的范围内。

Claims (3)

1.一种基于可降解生物传感器的心肌细胞生长状态监控系统，其特征在于，所述的心肌细胞生长状态监控系统包括可降解生物传感器以及源表测试设备；
所述的传感器包括玻片衬底、设在玻片衬底上的黑磷和设在黑磷上的金属电极；
所述的衬底为玻片；
所述的黑磷为致密的黑磷薄膜；
所述的金属电极为金和钛；
所述的源表测试设备用于提供电流或电压源和信号采集。
2.如权利要求1所述的基于可降解生物传感器的心肌细胞生长状态监控系统的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）在玻片衬底上制备致密的黑磷薄膜；
2）通过电子束曝光（EBL）和金属薄膜沉积技术在黑磷上沉积两个间距0.1-1cm为平行的同尺寸金属电极；金500 nm厚/钛5 nm厚，钛金属层起到增强粘附作用；电极用300nm氧化铝绝缘层保护；
3）将传感芯片浸入细胞培养液中，在黑磷培养支撑物上添加少量基质胶（Matrigel）涂层，滴加多能干细胞悬液，培养人类多能干细胞并诱导其分化成心肌细胞；
4）保证细胞与黑磷充分接触，待人类多能干细胞诱导分化心肌细胞时，细胞自身的电活动会引起通道电信号的变化；
5）连接外部电路，通过源表测试设备设定恒定偏压，传感器实时记录细胞生长过程中产生的电生理信号。
3.根据权利要求1所述的基于可降解生物传感器的心肌细胞生长状态监控系统的构建方法，其特征在于，两个金属电极间距为1cm。
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