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Senso-fluidics:在微流体中使用传感器进行连续监测

Senso-fluidics:在微流体中使用传感器进行连续监测

人类一直着迷于逆向工程,无论是制造科学怪人还是人造器官。使用器官芯片和组织工程技术,科幻正慢慢成为现实。在器官 - 芯片技术中,人体器官的生理功能在微流体通道内被模拟。组织工程可能涉及脚手架内活细胞的生物印刷以模仿整个器官。这两种技术都为开发个性化药物和研究疾病模型提供了极大的希望。这项技术的成功应用将取决于维持健康细胞环境的能力,并监测微流控通道内的生物过程长达一段时间(〜2-4周)。通过将传感器集成到微流体通道内,这些参数可以连续监测。将传感器集成到微流体通道的优点是:

· 通道内无标签连续监测细胞健康

· 微流体通道中的微量(微微升)能够实现高灵敏度的检测

· 通过将传感器放置在细胞附近,感兴趣的分析物不太可能在细胞培养基中被稀释

真正模仿人体生理学

活细胞甚至对其环境中的微小变化也很敏感,并且响应这些变化释放某些分子。监测这些分子提供了有关健康状况的有价值信息,并且可以预测对药物的反应。例如,Zhang等人 开发了一种多传感器集成芯片上元件平台,通过使用光学传感器来监测微环境参数,例如pH,氧气温度。此外,作者开发了无标记电化学免疫生物传感器,用于连续监测组织工程分泌的分子微流体通道内的器官。这项工作表明,器官芯片可以在微环境中整合生物物理和生化参数的实时监测。

图1:示意图显示了如何使用传感器连续监测微流体通道内的生化参数。

1:示意图显示了如何使用传感器连续监测微流体通道内的生化参数。

1显示了来自集成到微流体通道的传感器的反馈如何用于调节细胞培养的微环境的示意图。传感器可以持续监测通道内的生物物理和生物化学参数,并将这些信息直接传达给计算机,然后使用调整新鲜细胞培养基的流入量。通道与细胞培养基的微量灌注有助于维持最佳的pH值,氧气水平温度。这种反馈可用于提高器官芯片应用的细胞活力,并使我们更接近于真正模仿人体生理学。

目前,已经开发出用于测量pH ,氧气,葡萄糖和乳酸盐传感器。将这些传感器的任意组合集成到器官芯片器件中将有助于确定在药物筛选应用中可能重要的微环境

整合传感器和前景的挑战

为了成功地将传感器集成到微流体通道中,需要克服几个挑战。他们如下:

生物污染

使用传感器进行长期监测的主要挑战之一是表面的生物污染。生物结垢是指在感测材料表面上形成薄的生物膜,这导致传感器的性能降低。在生物环境中感测时,这个问题尤其会被放大。已经有几种策略来减轻传感器的生物污染。例如,表面改性(硅烷化)是延长传感器寿命的流行技术。

制造技术

以往使用的软光刻用于制造微流体设备时,需要修改以直接集成传感器到通道。诸如粘合PDMS表面和对准通道内的传感器等问题可能是一个挑战。乐高和盒式装配等新制造技术在制造片上器件方面越来越受欢迎,因为它们更适合于传感器集成。

传感器灵敏度和选择性

传感器灵敏度是指传感器的检测极限。在mg / L或ng / L范围内以低体积(皮升)感应时需要超灵敏度传感器。最近,纳米材料如石墨烯和碳纳米管因其在低容量检测中的高灵敏度而受到欢迎。选择性是这些传感器的另一个主要挑战。该参数指的是传感器检测具有高信噪比的特定分子的能力。细胞培养基中各种干扰物质的存在对于特异性地检测感兴趣的分子可能是一个挑战。基于适配子的传感器具有高信噪比的良好选择性。

总之,新技术带来了新的需求和挑战。器官 - 芯片和组织工程为个性化医学,药物开发和研究具有更复杂生理相关系统的疾病模型显示出巨大的前景。将传感器集成到微流体通道中可以通过连续监测微环境中的生物物理和生物化学参数来提高这些技术的性能。