Biosensors and Bioelectronics：基于三维仿生界面的微流控芯片对癌细胞癌变过程的诊断

【引言】

癌症已经成为全世界面临的重要问题。通常癌细胞与正常细胞在贴附、迁移、增殖等阶段有区别，可在细胞的电阻抗特性上得到反映。同时，单细胞分析为研究细胞的特异性行为提供了独特视角。传统的细胞阻抗传感器（electric cell-substrate impedance sensing (ECIS)）由于细胞和电极材料是二维的接触，而且表面相互作用弱，造成单细胞的电阻抗信号微弱，不能有效的监测单细胞的实时变化。

【成果简介】

近日，浙江理工大学光电材料和器件中心在Biosensors and Bioelectronics上发表文章“Three-dimensional graphene biointerface with extremely high sensitivity to single cancer cell monitoring”（如图1）。浙江理工大学理学院刘爱萍教授和机械学院陈本永教授为该论文的共同通讯作者，第一作者为硕士生王夏华，浙江理工大学是该论文的第一单位和通讯单位。该工作得到了长江学者奖励计划创新研究团队经费、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金的资金支持。该文从仿生的角度，通过微纳加工工艺和化学修饰相结合的方法制备了一种基于三维石墨烯仿生界面细胞电阻抗传感器的微流控芯片（如图2和图3），用于单细胞和双细胞的电阻抗监测。捕获微槽和单细胞的形状、尺寸相匹配，并且修饰在微槽上的石墨烯膜均一而且连续，激光刻蚀后各个捕获微槽之间的电信号不会互相关联和干扰。细胞捕获在石墨烯界面上如图4所示，石墨烯界面和细胞之间发生包裹和挤压效应，并簇生出一定数量的脊。由于石墨烯微槽表面仿生的微纳尺度纹理和褶皱与细胞表面的丝状伪足更加的匹配，这样的异质性界面相互作用将会为细胞在电极表面的贴附以及电信号的传导提供更多的接触位点和更大的接触力，通过三维陷阱效应和微纳尺度异质性纹理相互作用将细胞阻抗传感器的灵敏度大幅提高，与传统的阻抗传感器相比单细胞约提高100%、双细胞约提高50%（如图5），并通过理论计算得到验证。同时，通过石墨烯纳米界面可以实时的实现单细胞表面CCD形貌记录和电阻抗信号的提取（如图6）。这将为设计仿生的异质性界面用于细胞相关的癌症研究提供新的思路和方法。

【图文导读】

图1 文章摘要效果图

图2 三维石墨烯仿生界面细胞电阻抗传感器基于的微流控芯片效果图

（a）设计的微流控芯片三维图，包括集成电极阵列、带有入口和出口的PDMS流道以及PDMS盖板；

（b）捕获区域的放大图，包括不同尺寸电极相应的位置分布；

（c）细胞捕获在三维石墨烯仿生界面上的侧视图；

（d）用于单细胞捕获的石墨烯微槽尺寸。

图3 三维石墨烯仿生界面细胞电阻抗传感器基于的微流控芯片的实物及表征图

（a）微流控芯片的实物图，尺寸为2×2cm²；

（b）用于单双细胞捕获的流道捕获区域放大图；

（c）捕获微槽的高度为30µm，比细胞直径稍大；石墨烯片自组装在微槽表面的（d）低倍和（e）高倍SEM图；

（f）单个石墨烯微槽侧壁的SEM图；

（g）石墨烯微槽圆弧形内壁的原子力显微图；

（h）激光将连续的石墨烯膜图案化后的激光显微图片；

（i）激光刻蚀后单个捕获阵列的三维显微图。

图4 单细胞和双细胞捕获在相应微槽位置的显微图

（a）单细胞和（b）双细胞捕获的在二维金界面的微槽内；

（c）单细胞和（d）双细胞捕获在三维石墨烯界面的微槽内；

（e）单细胞和（f）双细胞被三维石墨烯界面微槽紧紧的包裹；

（g）单细胞和（h）双细胞和石墨烯界面发生挤压，并簇生出一定数量的脊。

图5 在频率为5k和10k Hz下，对阻抗差值△Z进行的统计分析

数据代表五次重复实验的平均值±标准差（n=100）。在不同的生理阶段：包括捕获、贴附（培养2小时）、迁移（培养2小时）和增殖（培养2小时），（a）单个早期乳腺癌细胞MCF-7和（b）单个中期乳腺癌细胞MDA-MB-231细胞分别接种在二维金界面和三维石墨烯界面的阻抗差值；（c）双个早期乳腺癌细胞MCF-7和（d）双个中期乳腺癌细胞MDA-MB-231细胞分别接种在二维金界面和三维石墨烯界面的阻抗差值；

图6 通过三维石墨烯界面对单细胞进行实时的CCD记录和电信号提取

文献链接：Three-dimensional graphene biointerface with extremely high sensitivity to single cancer cell monitoring.（Biosensors and Bioelectronics，2018，DOI:10.1016/j.bios.2018.01.012）

通讯作者简介：

刘爱萍，浙江理工大学物理系教授，博士生导师，入选浙江省“钱江人才计划”、浙江省“151第三层次人才”。哈尔滨工业大学材料学专业博士，曾先后在新加坡南洋理工大学和浙江大学从事博士后研究工作。课题组依托浙江理工大学光电材料与器件研究中心，致力于新型微纳传感复合材料及微纳生物传感器的研制。建立了结合纳米材料合成技术和微加工技术制备多级有序微纳结构材料的有效方法，发展了功能性碳基材料在生物传感器及组织工程学上的应用；提出了基于可穿戴的柔性生物传感器测试和识别人体运动的方法及系统平台，为多功能微纳生物传感器的制造与检测技术提供工艺及设计依据。

本文由刘爱萍教授和陈本永教授团队供稿。

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