【摘要】：細胞傳感器作為一類(lèi)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(diǎn)，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(lái)逐漸實(shí)現產(chǎn)業(yè)化。微電極陣列(Microelectrode Arrays，MEAs)是以檢測電興奮類(lèi)細胞如心肌細胞、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等的電生理活動(dòng)的一類(lèi)細胞傳感器。它因無(wú)損檢測、響應速度快、制備工藝簡(jiǎn)單、可擴展性強等特點(diǎn)而具有廣泛的應用前景。

本論文基于微電極陣列，針對心肌細胞的特性擴展了其設計和功能，開(kāi)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。所設計的平臺亦可推廣用于其它類(lèi)型細胞的研究。本論文的主要內容和創(chuàng )新點(diǎn)在于：

一.深入分析微電極陣列胞外場(chǎng)電位的檢測機理，并應用于實(shí)際細胞芯片的設計。本文基于金屬電極-電解液雙電層模型和離子通道模型，系統地研究了細胞與微電極耦合的點(diǎn)接觸模型。采用仿真軟件工具對胞內外場(chǎng)電位的關(guān)系進(jìn)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外電位的影響?；谠撃Ｐ偷姆治鼋Y果設計的細胞芯片表現出良好的生物相容性和穩定性。細胞芯片成功記錄了心肌細胞、海馬區神經(jīng)元以及嗅覺(jué)細胞的胞外場(chǎng)電位信號，實(shí)際檢測結果與模型仿真結果具有較高的一致性。

二.本文首次提出了設計小同尺度的電極陣列芯片實(shí)現對心肌細胞興奮-收縮偶聯(lián)以整體進(jìn)行分析的方法。根據心肌細胞的生長(cháng)特點(diǎn)，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(shí)，使用毫米級的電極可同時(shí)檢測細胞的收縮電位，其幅度及持續時(shí)間和面積呈正相關(guān)，并采用常規的微管抑制劑驗證了該方法的正確性。在此基礎上，基于電極-電解液雙電層的檢測機理，分析了機械搏動(dòng)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。根據該分忻結果，將微米尺寸電極和大面積電極共同設計并采用統一電學(xué)方式檢測，實(shí)現了心肌細胞興奮-收縮偶聯(lián)的整體研究，彌補了傳統方式膜片鉗-熒光染色等方法的不足；該方法可進(jìn)一步擴展成以興奮-收縮偶聯(lián)機制為靶點(diǎn)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，設計了結合微電極陣列和細胞阻抗電極復合細胞芯片，并共同完成了基于該復合細胞芯片檢測的自動(dòng)分析儀的設計制作，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，在一次實(shí)驗中同時(shí)記錄細胞的胞外電生理和形態(tài)的變化。芯片應用于蒽環(huán)類(lèi)抗癌藥物阿霉素的心臟毒性研究，將分析結果和傳統心肌細胞研究方法及臨床出現的癥狀進(jìn)行對比分析，證明了平臺的有效性，提出了將長(cháng)時(shí)程檢測中出現的癥狀按時(shí)間點(diǎn)排布，得到的藥物作用時(shí)間譜可直觀(guān)地描繪其誘發(fā)的心臟毒性的癥狀變化過(guò)程。共同設計了基于復合細胞芯片自動(dòng)分析儀的設計制作；實(shí)現了細胞生理多參數的自動(dòng)化分析；初步探索了心臟毒性的檢測和評價(jià)方法。