Online oxygen monitoring using integrated inkjet-printed sensors in a liver-on-a-chip system

在肝臟芯片系統(tǒng)中使用集成噴墨打印傳感器進(jìn)行在線氧監(jiān)測

來源: Lab on a Chip, 2018, Volume 18, Pages 2023-2035

《芯片實(shí)驗(yàn)室》，2018年，第18卷，第2023-2035頁

 

摘要

論文摘要指出，隨著器官芯片系統(tǒng)的出現(xiàn)，實(shí)時監(jiān)測細(xì)胞功能和條件的需求急劇增加，但將傳感器集成到這些系統(tǒng)中面臨挑戰(zhàn)。本研究提出了一種方法，將多個傳感器集成到肝臟芯片設(shè)備的超薄、多孔和脆弱膜中，特別是三個電化學(xué)溶解氧傳感器，通過噴墨打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)，允許局部在線監(jiān)測氧濃度。該方法證明了大鼠和人類肝細(xì)胞沿微流體通道存在氧梯度（分別高達(dá)17.5%和32.5%），這對于肝臟分區(qū)現(xiàn)象至關(guān)重要。噴墨打印被選為兼容低溫過程的技術(shù)，通過使用SU-8介電材料作為 primer 層來密封膜孔隙。概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)使用原代人類和大鼠肝細(xì)胞進(jìn)行，并通過添加FCCP刺激氧消耗率，結(jié)果顯示打印傳感器能可靠監(jiān)測氧變化，克服了器官芯片系統(tǒng)集成傳感器的難題。

 

研究目的

研究目的是開發(fā)一種在器官芯片系統(tǒng)中集成傳感器的方法，以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時監(jiān)測氧濃度，從而更好地模擬體內(nèi)環(huán)境并研究細(xì)胞代謝活動。具體目標(biāo)是解決傳感器集成到多孔膜中的技術(shù)挑戰(zhàn)，并利用該平臺研究肝細(xì)胞中的氧梯度，這對于肝臟生理和病理研究具有重要意義。

 

研究思路

研究思路基于使用噴墨打印技術(shù)將電化學(xué)溶解氧傳感器直接集成到肝臟芯片系統(tǒng)的多孔膜上。首先，通過打印SU-8 primer 層局部密封膜孔隙，然后打印金和銀導(dǎo)電墨水形成工作電極、對電極和偽參考電極。傳感器制造后，進(jìn)行電化學(xué)表征和校準(zhǔn)。隨后，將傳感器集成到ExoLiver肝臟芯片設(shè)備中，該設(shè)備模擬肝竇結(jié)構(gòu)，包含上微流體通道和靜態(tài)下通道用于肝細(xì)胞培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)使用原代大鼠和人類肝細(xì)胞，在常氧條件下穩(wěn)定后，通過添加FCCP（一種線粒體解偶聯(lián)劑）刺激氧消耗，實(shí)時監(jiān)測氧濃度變化。研究還使用丹麥Unisense的Clark型商業(yè)氧傳感器作為參考驗(yàn)證打印傳感器的性能。數(shù)據(jù)采集包括氧濃度梯度測量和氧消耗率估計(jì)，通過數(shù)學(xué)模型分析細(xì)胞呼吸動力學(xué)。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1. 傳感器性能數(shù)據(jù)：傳感器在0-9 mg/L范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性響應(yīng)，靈敏度為28±1 nA L/mg，檢測限為0.11 mg/L。研究意義：這些數(shù)據(jù)驗(yàn)證了噴墨打印傳感器的準(zhǔn)確性和可靠性，表明其適用于生物環(huán)境中氧濃度的精確監(jiān)測，為器官芯片系統(tǒng)提供了低成本、可定制化的傳感解決方案。

2. 氧濃度梯度數(shù)據(jù)：來自圖4，數(shù)據(jù)顯示在大鼠肝細(xì)胞培養(yǎng)中，流入?yún)^(qū)和流出區(qū)之間的氧梯度達(dá)17.5%，在人類肝細(xì)胞中達(dá)32.5%。研究意義：這直接證明了肝細(xì)胞培養(yǎng)中存在氧梯度，模擬了體內(nèi)肝臟的分區(qū)現(xiàn)象，有助于研究代謝 zonation 和藥物毒性，提高了器官芯片模型的生理相關(guān)性。

 

3. 氧消耗率數(shù)據(jù)：來自圖5，通過數(shù)學(xué)模型估計(jì)氧消耗率，大鼠肝細(xì)胞基礎(chǔ)呼吸為0.23±0.07 nmol/s/10^6細(xì)胞，F(xiàn)CCP刺激后最高達(dá)5.95±0.67 nmol/s/10^6細(xì)胞；人類肝細(xì)胞基礎(chǔ)呼吸為0.17±0.10 nmol/s/10^6細(xì)胞，刺激后最高達(dá)10.62±1.15 nmol/s/10^6細(xì)胞。研究意義：這些數(shù)據(jù)揭示了細(xì)胞代謝活動對氧需求的動態(tài)變化，評估了線粒體功能，為藥物篩選和疾病建模提供了關(guān)鍵參數(shù)，突出了傳感器在實(shí)時監(jiān)測代謝反應(yīng)中的實(shí)用性。

 

 

結(jié)論

論文結(jié)論表明，噴墨打印傳感器成功集成到器官芯片系統(tǒng)中，能夠?qū)崟r監(jiān)測氧梯度和細(xì)胞呼吸率。該方法證明了在超薄多孔膜上集成傳感器的可行性，傳感器表現(xiàn)出良好的性能和對細(xì)胞培養(yǎng)的最小侵入性。研究揭示了肝細(xì)胞中的氧梯度，模擬了肝臟分區(qū)，并且FCCP刺激能顯著增加氧消耗。總體而言，噴墨打印技術(shù)為器官芯片系統(tǒng)提供了靈活、低成本的傳感器集成方案，有望推動實(shí)時多參數(shù)監(jiān)測在生物醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義在于其作為參考標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證了噴墨打印傳感器的準(zhǔn)確性和可靠性。Unisense的Clark型氧微電極具有高精度和穩(wěn)定性，在本研究中被置于芯片的上通道，用于連續(xù)監(jiān)測氧濃度，與打印傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。結(jié)果顯示，打印傳感器的測量值與Unisense電極一致，但打印傳感器優(yōu)勢在于能同時監(jiān)測多個點(diǎn)（如流入、中間和流出區(qū)），而商業(yè)傳感器只能單點(diǎn)測量。這突出了打印傳感器在空間分辨率上的優(yōu)勢，能夠捕捉氧梯度細(xì)節(jié)，而Unisense電極則確保了數(shù)據(jù)的可信度。此外，Unisense電極的使用強(qiáng)調(diào)了傳感器集成在器官芯片中的重要性，為未來開發(fā)更先進(jìn)的監(jiān)測工具提供了基準(zhǔn)，推動了實(shí)時代謝分析在微型化細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。