시험관 내 마이크로 유기 전하 변조 필드 효과 트랜지스터 어레이에 의한 다단계 세포 분석

요약

여기서, 당사는 체외 세포 인터페이싱을 위한 유기 전하 변조된 필드 효과 트랜지스터(OCMFET) 기반 장치의 제조 프로토콜을 제시합니다. 마이크로 OCMFET 어레이라고 하는 이 장치는 유연하고 저렴한 비용 및 기준이 없는 장치로 전기 활성 세포 배양의 전기 및 대사 활동을 모니터링할 수 있습니다.

초록

현대 전기 생리학은 점점 더 정교한 도구와 재료의 병렬 개발에 의해 지속적으로 연료를 공급하고있다. 이 분야에서 의 발견은 궁극적으로 지난 50 년의 인상적인 업적을 결정 앞뒤로 프로세스에서 기술 진보를 주도하고있다. 그러나, 세포 간제에 사용되는 가장 많이 사용되는 장치(즉, 트랜지스터를 기반으로 하는 마이크로 전극 어레이 및 마이크로 전자 장치)는 여전히 높은 비용, 재료의 강성 및 외부 기준 전극의 존재와 같은 몇 가지 한계를 제시한다. 이러한 문제를 부분적으로 극복하기 위해 유기 바이오 전자 공학이라는 새로운 과학 분야의 개발이 있어 저렴한 비용, 보다 편리한 재료 및 혁신적인 제조 기술과 같은 이점이 있습니다.

몇몇 흥미로운 새로운 유기 장치는 세포 배양과 편리하게 인터페이스하기 위하여 지난 10 년 동안 제안되었습니다. 이 백서는 유기 전하 변조 된 필드 효과 트랜지스터 (OCMFET)를 기반으로 세포 인터페이싱을위한 장치의 제조를위한 프로토콜을 제시한다. 마이크로 OCMFET 어레이(MOA)라고 불리는 이러한 장치는 유기 전자 제품의 장점과 OCMFET의 특이한 특징을 결합하여 투명하고 유연하며 기준이 없는 도구를 준비하여 심근세포및 신경세포의 전기 및 대사 활동을 모니터링할 수 있으므로 전기성 세포 모델의 다중파라메트릭 평가를 가능하게 합니다.

서문

뉴런과 심근세포와 같은 전기활성 세포의 생체 내 모니터링은 인간의 뇌, 기능적 연결 연구, 약리학 및 독성학에 대한 근본적인 연구 응용 분야에서 유효하고 강력한 접근법을 나타냅니다. 이러한 연구에 일반적으로 사용되는 도구는 주로 마이크로 전극 배열 (MEA)^1,2,3,4,5및 점점 더 효율적이고 강력한 현장 효과 장치 (FED)6,7,8,9,10,11,12^에 기초합니다 . 이 두 제품군의 장치는 뉴런과 심근세포의 전기 적 활성을 실시간으로 모니터링하고 자극할 수 있으며 일반적으로 견고성, 사용 용이성 및 신뢰성을 특징으로합니다. 이러한 특징은 MEA와 FED를 전기 생리학적 응용 을위한 금 본위제로 만들며, 현재 표준 세포 배양, 조직형 뇌 슬라이스 및 삼차원 오르가노이드13,14,15,16과 인터페이스하기 위해 사용됩니다. 그들의 광범위한 사용과 인상적인 기능에도 불구하고, MEA및 FED는 높은 비용, 재료의 강성 및 일반적으로 부피가 큰 기준 전극의 존재와 같은 몇 가지 한계를 제시, 이는 측정 액체 환경에 배치해야하고 장치의 적절한 작동을 위해 필요하다.

세포 간 질의를 위한 대체 솔루션을 탐구하기 위해 지난 10년간 유기 재료와 혁신적인 ^{제조 기술을 기반으로} 한 전자 기기 연구에 많은 노력을 기울였습니다. 전술한 한계를 해결하기 위하여 연구된 몇몇 유기 장치 중, OCMFET에게 불린 특이한 유기 트랜지스터는 최근에 MEA와 ^FEDs18에 유효한 대안으로 제안되었습니다. OCMFET는 저비용 재료 및 제조 기술, 최적의 기계적 및 화학적 특성, 광학 투명성 및 생체 적합성과 같은 유기 전자 기술이 제공하는 표준 기능 외에도 외부 참조 전극없이 초고충전감도(이중 게이트 구조로 인해)를 제공합니다. 또한, 이 유기 센서는 트랜지스터 영역^19,20과 분리되는 감지 영역의 특정 기능화에 따라 다른 멸혈구/물리적 파라미터를 감지하는 놀라운 능력을 가지고 있습니다. 이러한 모든 기능은 셀룰러 배양 내에서 서로 다른 매개 변수를 획득하기 위해 편리하게 악용될 수 있습니다. 특히, 뉴런/심장 전기활성을 검출할 수 있을 뿐만 아니라, 간단한 물리적 ^{기능화를 이}용하여 OCMFET의 특이한 이중 게이트 구조에 의해 제공되는 초고pH 민감도를 활용하여 세포 대사 활성에 의한 약간의 국소 pH 변이를 안정적으로 모니터링할 수 있다.

체외 세포 생체 감지에서, 세포 대사 활성의 모니터링은 배양 상태의 강력한 지표이며 약물 투여 및 전기 자극^22,23과 같은 다양한 자극에 대한 세포 반응을 평가하는 데 사용될 수 있다. 더욱이, 신경 응용 프로그램의 특정 경우에, 전기및 신진 대사 활동을 둘 다 감시하는 것은 특히 약리학 및 독성학에 큰 관심사입니다²⁴. OCMFET의 모든 장점을 제공하는 동시에 현대 체외 전기 생리학의 요구 사항을 편리하게 해결하려는 의도로, 마이크로 OCMFET 어레이 (MOA)라는 장치가 최근에 도입되었습니다. MOA는 생체 외 세포 인터페이싱을 위해 특별히 설계된 특수 감지 영역을 갖춘 OCMFET 기반 어레이로, 전기 세포 배양물의 다단계 분석을 가능하게 합니다. 특히, 두 개의 MOA 채널은 감도를 최대화하기 위해 더 큰 감지 영역을 가지며 배양 매체의 pH 변화와 같은 특정 관심 파라미터를 모니터링하기 위해 선택적으로 기능화될 수 있다. 구조의 다른 OCMFET는 세포외 전기 활동 센서역할을 합니다. 도 1은 16 채널 MOA의 구조를 나타낸다. 이 기능은 외부 참조 전극의 부재와 결합되어 MOA를 시험관 내 응용 프로그램에 매우 흥미로운 도구로 만듭니다. 이 작품은 뉴런과 심근세포의 전기 및 대사 활동의 체외 검출을 위한 다중 감지 MOA의 단계별 제조 프로토콜을 제시한다. 도 2는 주요 제조 단계, 사용된 재료 및 장치 구조를 나타낸다.

프로토콜

동물의 치료 및 사용에 대한 모든 해당 국제, 국가 및 /또는 제도적 지침이 준수되었습니다. 프로젝트의 동물 수를 줄이고 고통을 최소화하기 위해 모든 노력을 기울였습니다.

1. 개발 솔루션, 에칭 솔루션, 유기 반도체 솔루션 및 포토리토그래피 마스크의 준비

1. 175mM의 농도로 탈온수에 NaOH 펠릿을 희석하여 개발 솔루션을 준비한다.
   참고 : 이것은 외설적인 반응입니다. 플라스틱 용기를 사용하는 경우 모든 펠릿이 완전히 용해될 때까지 용기를 계속 교반하십시오.
2. 탈이온수(농축 48% HF, 49개 부분 의 1개)에서 하이드로플루오로산(HF)을 희석하여 티타늄 에칭 액을 준비한다.
   주의: 수력 불소산은 피부에 쉽게 침투하여 깊은 조직 층에 심각한 손상을 입힐 수 있습니다. HF의 급속한 중화는 며칠 동안 계속하고 가혹한 상해 또는 죽음귀착될 수 있는 조직 파괴를 방지하기 위하여 필요합니다. HF와 관련된 위험은 산과의 접촉 의 농도 및 지속 시간에 의존한다. 얼굴 방패를 사용하여 연기 후드 에서만 사용하십시오. 더블 글로빙도 강력 하 게 추천 합니다.
3. 요오드, 요오드 칼륨 및 탈이온 수분(용액 250g, 탈온수 200mL, KI 20g, _I2 5 g)을 혼합하여 골드 에칭 액을 준비합니다. 실온에서 1시간 동안 저어서 사용하기 전에 하룻밤 동안 쉬게 하십시오.
4. 6,13-비스(트리이소프로필실틸리레틴닐) 펜타세네(TIPS 펜타세인)를 애니솔(무게 1%)에 용해하고 80°C의 핫 플레이트에서 2시간 동안 부드럽게 교반하여 반도체 용액을 준비한다.
   참고: 이 솔루션을 계속 교반하십시오. 호박색 유리 바이알을 사용하거나 저조도 조건에서 보관하십시오.
5. 벡터 그래픽 소프트웨어로 원하는 포토리토그래피 마스크 세트를 준비합니다. 전체 공정에 대해 5개의 마스크를 준비합니다: 플로팅 게이트(FGs)의 패터닝을 위한 마스크; 전기 생리학적 기록을 위한 비아 및 감지 영역의 개방을 위한 마스크; 자체 정렬 프로세스를 위한 마스크; 소스의 패터닝을 위한 마스크, 드레인 및 제어 게이트 상단 접촉; 및 pH 채널의 플라즈마 활성화를 위한 마스크.
   참고: 필요한 해상도와 특정 포토리소그래피 설정에 따라 다양한 종류의 마스크를 사용할 수 있습니다. 제안 된 장치 (최대 40 μm)의 경우, 간단한 플라스틱 유연한 마스크는 지역 복사 가게에서 구입되었습니다.

2. 기판 선택 및 준비

1. 깨끗한 PET 시트에서 250 μm 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)의 6 x ^6cm2 정사각형을 잘라냅니다.
   참고: 최종 장치보다 약간 더 큰 기판으로 시작하여 표준 실험실 핀셋으로 조작할 수 있는 충분한 여백을 갖습니다.
2. 깊은 홈과 스크래치의 존재를 배제하기 위해 광학 현미경으로 기판을 검사합니다. 더 큰 결함으로 인해 최종 장치의 실패로 이어질 수 있기 때문에 덜 긁힌 기판을 신중하게 선택합니다.
3. 아세톤, 이소프로필 알코올 및 탈이온화된 수분(이 순서대로)으로 PET 기판을 헹구고 질소 스트림을 사용하여 건조시합니다. 깨끗한 플라스틱 페트리 접시 / 용기에 기판을 저장합니다.

3. FG : 티타늄 증착

1. 플라즈마 산소(100W에서 30s)로 기판을 미리 청소하고 열 증발기의 진공 챔버 내부의 기판 홀더에 놓습니다.
2. 도가니에 티타늄 60 mg을 놓고 셔터를 닫고 ^10-6 Torr보다 낮은 진공 수준에 도달할 때까지 증발 챔버를 펌프합니다. 도가니가 빨간색으로 빛날 때까지 증발기의 힘을 높이고 30 s를 기다립니다. 셔터를 열고 전력을 60%로 늘리고(또는 도가니가 밝은 흰색으로 빛날 때까지) 60년대를 기다립니다. 셔터를 닫고 전원을 끕니다.
3. 증발기에서 기판을 제거; 아세톤, 이소프로필 알코올 및 탈이온수를 사용하여 청소하십시오. 질소 의 스트림을 사용하여 건조. 티타늄 표면을 약간 산화시키기 위해 제2 산소 플라즈마 처리(200W에서 60s)를 수행합니다.

4. FG 패터닝

1. 연기 후드 안에 놓인 스핀 코터에 한 번에 하나의 기판을 놓습니다. 일회용 플라스틱 파이펫을 사용하여 기판에 포토레지스트 4mL를 입금합니다. 다음 스핀 코팅 파라미터를 사용하여 2 μm 두께의 포토레지스트 층을 얻습니다: 스핀 속도: 3000 rpm; 스핀 시간 : 45 s; 가속 시간: 0.5 초; 감속 시간: 0.5 s.
2. 핫 플레이트(70°C 5분)에 기판을 배치하여 포토레지스트를 부드럽게 굽습니다. 알루미늄 호일 포장 페트리 접시/플라스틱 용기 안에 기판을 보관하여 직접 광 노출을 방지합니다.
   참고: 기질 변형을 방지하기 위해 제안된 베이킹 온도(50s용 100°C)를 피하십시오. 그러나 더 오랜 시간 동안 낮은 온도에서 굽는 것은 좋은 결과를 보장합니다.
3. 장치를 브로모그래프에 놓고 원하는 FG 레이아웃을 기판에 배치하여 플라스틱 광리토그래피 마스크를 배치합니다. 상단의 자외선(UV) 광에 1분 동안 노출하고 마스크를 조심스럽게 제거하여 기판 위에 마스크의 측면 움직임을 최소화하여 긁히지 않도록 주의하십시오.
4. 개발 용액(1.1단계)으로 채워진 유리 용기에 5s의 기판을 급락시키세요. 탈이온된 물에 빠르게 헹구고 질소 아래에서 건조시다. 광학 현미경을 사용하여 기판의 저개발/과개발 된 반점을 찾으세요. 개발이 저조한 경우 개발 용액에 기판의 침수를 반복한다.
5. 15s용 티타늄 에칭 용액(1.2단계)에 잠수하여 노출된 티타늄을 에칭하고, 탈이온화된 물로 헹구고, 질소를 사용하여 건조시한다. 기판을 광학적으로 검사하고 아세톤을 사용하여 포토레지스트를 제거합니다. 이소프로필 알코올과 탈온물로 기판을 헹구고 질소로 건조시다.

5. 게이트 유전체 증착

1. 실험실 닦아서의 증착 챔버 벽에 접착 프로모터(silane-3-(트리메톡실릴)의 2mL를 배분하여 Parylene coater의 증착 챔버를 준비한다. Parylene C 디머 300 mg(최종 두께 150 nm에 해당)을 Parylene 코트에 놓습니다. 낮은 압력 값을 7mbar로 설정하고 더 높은 압력 값을 10 mbar로 설정합니다. 증착 후, 아세톤, 이소프로필 알코올, 탈이온된 물로 기판을 청소하고 질소로 건조시다.

6. 전기 활동 기록 및 FG의 뒷면에 액세스하는 비아의 형성을위한 OCMFET의 감지 영역의 개방

1. 4.1 단계 및 4.2 단계의 동일한 매개 변수를 사용하여 기판에 포토 레지스트를 입금하십시오.
2. 장치를 브로모그래프에 배치하고 플라스틱 광리소그래피 마스크를 비아의 기판에 배치(감지 영역에 걸쳐 직경 50μm의 원형 개구부, 감지 영역에서 100 x 100 ^μm2 개구부( 도 1 및 도 2에서 FG의 백 접촉이라고 함)을 스테레오스코 마이크로스코프 마이크로스코프의 형상을 향상시킵니다. 상단에서 1 분 동안 UV 광에 노출하고 조심스럽게 마스크를 제거하여 기판에 마스크의 측면 움직임을 최소화하여 긁히지 않도록주의하십시오.
   참고: 감지 영역에서 멀리 떨어진 FGs 측의 비아( 도 1 및 도 2에서 FG의 백 컨택으로 표시됨)은 트랜지스터의 특성화 중에 접촉하는 데 필요합니다. 더욱이, FG에 전기적으로 접근하는 것은 다양한 유형의 기능화(예를 들어, 전극 위치)에 매우 유용할 수 있다.
3. 4.4 단계에서 이전에 설명한 바와 같이 포토레지스트를 개발한다. 패턴화된 포토레지스트(여기서 마스크역할을 하는)를 사용하여 기판을 산소 플라즈마(200W에서 180s)에 노출하여 감지 영역에서 Parylene C를 제거한다.
   참고: 200 W의 등위혈소 클리너에서 Parylene C의 에칭 속도는 약 90 nm/min입니다. 감지 영역을 더욱 청소하기 위해 약간의 오버 에칭이 수행됩니다. 포토레지스트도 이 과정에서 에칭된다. 그러나 두께(2 μm)는 Parylene C보다 훨씬 높습니다.
4. 기판을 초음파 욕조 내부에 아세톤으로 채워진 유리 용기에 넣고 10 초 동안 포토 레지스트를 완전히 제거하십시오. 아세톤, 이소프로필 알코올, 물로 기판을 헹구고 질소로 건조시다.
   참고: 단순히 아세톤으로 기판을 헹구는 대신 초음파 처리를 사용하면 Parylene C 조각의 원치 않는 접기 및 재침착을 감지 영역의 표면에 재배치하는 것이 중요합니다.

7. FG와 소스 및 배수의 자체 정렬

1. 4.1 단계 및 4.2 단계의 동일한 매개 변수를 사용하여 기판에 포토 레지스트를 입금하십시오. 장치를 브로모그래프에 놓고 트랜지스터 영역을 완전히 덮는 간단한 검은 색 사각형이 있는 플라스틱 광리토그래피 마스크를 기판에 배치합니다. 상단과 하단 모두에서 1 분 동안 UV 광에 노출하고, 조심스럽게 마스크를 제거, 그것을 긁지 않도록 기판 위에 마스크의 측면 움직임을 최소화하기 위해주의.
   참고: 양면 노출로 FG는 바닥 노출과 관련하여 포토리소그래피 마스크 역할을 하며, 상단 마스크의 존재는 트랜지스터 채널에 존재하는 포토레지스트만 노출되지 않은 상태로 유지되도록 합니다.
2. 4.4 단계에서 이전에 설명한 바와 같이 포토레지스트를 개발한다.

8. 소스, 배수구 및 제어 게이트의 금 증착, 채널 형성 및 패터닝

1. 부드러운 플라즈마 처리(30s at 30 W)로 기판을 청소하여 Parylene C에 금속의 접착을 촉진하고 열 증발기의 진공 챔버 내부의 기판 홀더에 놓습니다.
2. 도가니에 30 mg의 금을 놓고 셔터를 닫고 ^10-5 Torr에 도달 할 때까지 증발 챔버를 펌프합니다. 도가니가 빨간색으로 빛날 때까지 증발기의 힘을 높이고 30 s를 기다립니다. 셔터를 열고 전력을 40%로 늘립니다(또는 도가니가 밝은 흰색으로 빛날 때까지), 60s를 기다린 후 셔터를 닫고 전원을 끕니다.
3. 기판을 초음파 욕조 내부에 아세톤 용기에 넣고 10초 동안 포토레지스트를 들어 올려 트랜지스터 채널에서 금을 제거합니다. 아세톤, 이소프로필 알코올, 물로 기판을 헹구고 질소로 건조시다. 4.1 단계 및 4.2 단계의 동일한 매개 변수를 사용하여 기판에 포토 레지스트를 입금하십시오.
4. 장치를 브로모그래프에 놓고 원하는 소스, 배수구 및 제어 게이트 레이아웃을 사용하여 플라스틱 광리토그래피 마스크를 기판에 배치합니다. 상단에서 1 분 동안 UV 광에 노출하고 조심스럽게 마스크를 제거하여 기판위에 마스크의 측면 움직임을 최소화하여 긁히지 않도록주의하십시오.
5. 4.4 단계에서 설명된 바와 같이 포토레지스트를 개발한다. 10s용 골드 에칭 용액(1.3단계)에 침수하여 노출된 금을 에칭하고, 탈온화된 물로 헹구고, 질소를 사용하여 건조시한다. 기판을 광학적으로 검사하고 아세톤을 사용하여 포토레지스트를 제거합니다. 이소프로필 알코올과 탈이온물로 헹구고 질소로 건조시다.

9. pH 감지를 위한 Parylene C의 증착 및 활성화

1. 4.1 단계 및 4.2 단계의 동일한 매개 변수를 사용하여 기판에 포토 레지스트를 입금하십시오.
2. 장치를 브로모그래프에 놓고 OCMFET의 pH 감지 영역에 대응하는 개구부를 가진 플라스틱 광리토그래피 마스크를 기판에 배치합니다. 상단에서 1 분 동안 UV 광에 노출하고 조심스럽게 마스크를 제거하여 기판위에 마스크의 측면 움직임을 최소화하여 긁히지 않도록주의하십시오.
3. 4.4 단계에서 설명된 바와 같이 포토레지스트를 개발한다. 폴리이미드 절연 테이프로 pH 감지 영역을 제외한 전체 장치를 보호 합니다(재료 표 참조). 5.1 단계에서 설명된 동일한 매개변수를 사용하여 기판에 Parylene C(Parylene C dimer 1 g의 1 g에 해당)의 500 nm층을 기판에 증착한다.
   참고: pH 감지 영역의 총 Parylene C 두께는 650 nm입니다. 이 증착에는 시레인이 필요하지 않습니다.
4. 폴리이미드 절연 테이프를 조심스럽게 제거합니다. OCMFET의 pH 감지 영역에서 파라일렌 C를 활성화하기 위해 기판을 산소 플라즈마(200W에서 5분 및 30초)에 노출한다.
   참고 : 폴리이미드 절연 테이프는 Parylene C 증착을 제한하기 위해 여기에 필요합니다. 사실, 포토레지스트를 이용한 간단한 리프트오프는 Parylene C로 얻은 콘티어티즘 코팅의 거의 핀홀없는 특성으로 인해 긍정적 인 결과를 제공하지 않습니다.
5. 기판을 초음파 욕조 내부에 아세톤 용기에 넣고 10 초 동안 포토 레지스트를 완전히 제거하십시오. 아세톤과 이소프로필 알코올(물 없음)으로 기판을 헹구고 질소로 건조시다.

10. 반도체 증착, 배양 챔버 배치, 그리고 PET에서 장치의 최종 컷 아웃

1. 기판을 핫 플레이트에 50°C로 놓습니다. 각 채널 영역에 반도체 용액(1μL)의 액적(1μL)을 캐스팅하고, 전체 기판을 뚜껑으로 덮고, 화학 후드 아래에서 30분 동안 건조시키십시오.
2. 내부 반경 15mm, 두께 1mm, 3D 프린터로 7mm높이의 아크릴로니트리올 부타디엔 스티렌 링을 인쇄하여 배양 챔버를 준비합니다. 폴리디메틸실록산(경화제의 비율: 중량15%)을 사용하여 기판의 중앙 부분에 배양 챔버를 붙입니다. 수동으로 또는 레이저 커터를 사용하여 PET에서 장치를 잘라냅니다.

11. 트랜지스터의 전기 적 특성

1. 소스계를 사용하여 각 트랜지스터를 특성화18,19,20,21 (재료의 표 참조).
   참고: 출력과 입력 특성 모두 트랜지스터의 매개 변수(주로 이동, 임계값 전압, _ION/_IOFF 비율 및 하위 임계값 경사)를 추정하기 위해 측정되어야 합니다.

결과

MOA의 잠재력은 전기 활동 기록 및 대사 활동 모니터링 모두에 대해 여기에서 검증되었습니다. 세포외 작용 잠재력을 검출하는 장치의 기능의 정확한 추정은 쥐 심근세포 배양(특히 시험관내 [DIV])^에서 8일 측정된 1차 쥐 심근세포배양으로 철저한 특성화를 기반으로 하였다. 그림 3A 는 16개의 OCMFET가 있는 완전한 MOA를 보여줍니다. 상단 인셋은 MOA의 표면에 응고하는 컨물쥐 심근세포 배양의 예를 보여줍니다. 그들의 건강을 강조하기 위하여는, 세포는 기록 세션 후에 육종 단백질, tropomyosin를 위해 면역 염색되었습니다. 바닥 인셋은 OCMFET로 측정된 단일 심근세포 신호를 보여줍니다.

흥미롭게도, 장치는 도 3B에 도시된 바와 같이, 자발적인 전기 활동 및 다른 화학물질의 투여에 유도된 활성을 검출할 수 있었다. 이 검증은 전기 세포 인터페이싱을 위해 이 접근법을 사용하는 타당성을 입증하는 데 결정적이었습니다. 배열 구성으로 인해, MOA는 또한 심장 신호의 전파 속도의 재구성을 허용하여 셀룰러 네트워크의 연구를 위한 시스템의 적합성을 입증하였다(도 3C). 장치의 실제 검출 한계를 결정하기 위한 추가 검증을 위해, MOA는 또한 신호 진폭 및 기록의 신뢰성 측면에서 흥미로운 결과와 함께 줄무늬 뉴런(21 DIV)¹⁸)으로 테스트되었다. 그림 3D에서 볼 수 있듯이, OCMFET는 놀라운 안정성으로 신경 장 전위를 증폭시킬 수 있으며, 최대 3.2의 신호 대 잡음 비율(SNRS)을 보여 주며(표준 ^MEAs25로 얻은 SNR의 것과 동일한 범위에서). 레코딩 설정은 트랜지스터 편향및 신호 판독 및 컨디셔닝을 위한 사용자 지정 멀티채널 전자 장치로 구성되었습니다. 전기 레코딩의 각 채널에는 1MΩ 피드백 저항기가 있는 I/V 컨버터와 전압 게인이 110인 150Hz-1.3kHz 대역패스 필터로 구성된 첫 번째 단계가 있습니다. 제시된 모든 측정값의 경우 트랜지스터는 _VDS = _VGS = -1 V로 편향되었습니다. A/D 변환 및 데이터 시각화 및 저장은 데이터 수집 보드를 사용하여 수행되었습니다( 재료 표 참조). 모든 측정 세션은 시스템의 전기적 환경 소음을 최소화하기 위해 패라데이 케이지 내부에서 수행되었습니다.

앞서 언급했듯이, 프로토콜에 제시된 간단한 물리적 기능화를 활용하여, 초수제 반응으로 매우 민감한 pH 센서를 준비할 수 있었다. 제시된 제조 접근법 때문에, 이들 pH 장치는 MOA에 통합될 수 있고 1차 해마 쥐 뉴런의 대사 활성에 의해 유도된 약간의 pH 변이를 모니터링하는 데 사용될 수 있다²⁶. 특히 도 4에 도시된 바와 같이, 저주파 감지에 전념하는 두 OCMFET 중 하나만이 접근 방식의 타당성을 입증하기 위해 선택적으로 기능화되었다. 이러한 선택적 기능화는 화학적으로 유도된 대사 변이에 대한 두 OCMFET의 반응의 평가를 허용했습니다: 특히, GABA A ^{수용체의 억제}제인 bicuculline(BIC)을 사용하여 높은 대사 상태를 얻을 수 있는 반면, 낮은 대사 상태는 테트로도톡신(TTX)의 첨가에 의해 유도될 수 있으며, 결국 세포 사망을 야기한다²⁸⁸ . 레코딩 설정은 전자 활동 측정에 사용되는 동일한 사용자 지정 멀티채널 전자 장치로 구성되었습니다.

이전 사례와 는 달리, 세포 대사 활동에 의해 유도 된 느린 변이를 기록 하기 위해 두 개의 전용 된 채널 사용 되었다. 각 채널은 1MΩ 피드백 저항기가 있는 I/V 컨버터와 10Hz의 컷오프 주파수가 있는 로우패스 필터의 두 가지 주요 블록으로 구성된 간단한 회로로 구성되었습니다. 트랜지스터는 _VDS = _VGS = -1 V로 편향되었고, 모든 측정은 기록에 대한 외부 잡음의 영향을 최소화하기 위해 패러데이 케이지 내부에서 수행되었다(이것은 세포 대사 활동에 의해 유도된 낮은 전류 변동을 고려한 특히 중요한 양상입니다). 실험 중, 배양은 저완충배양배지로 유지되었고, 전체 시스템은 제어된 환경(37°C 및 연속 _CO2/공기 플럭스)에 배치되었다. 예상대로, pH 에 민감한 OCMFET의 전류만 25 μM BIC를 첨가하여 변조될 수 있었다. 이는 세포 대사 활성의 상응하는 변이에 의해 현재 변이의 유도에 의해 더욱 확인되었다.

동일한 실험은 10 μM TTX를 첨가한 후 반복되었으며, 이로 인해 세포 대사가 점진적으로 느려졌습니다. TTX의 첨가에 이어, pH에 민감한 OCMFET나 pH-무감각한 반응은 어떤 반응도 나타내지 않아 접근법의 효능을 입증하였다. 이러한 결과는 제안된 기능화의 효과와 최대 2주 동안의 상대적 안정성을 입증합니다. 제안된 실험(전기 활동 및 대사 활동 모두)에서 도출될 수 있는 중요한 결론은 동일한 배양 영역 내에서 다른 OCMFET를 선택적으로 기능화하여 다양한 종류의 센서를 준비할 수 있다는 것입니다. 이 양상은 동일 세포 배양 내의 다른 파라미터를 감시할 수 있다는 것이 그 생물학 시스템의 복잡성의 더 나은 특성화를 위해 중요하기 때문에 세포 응용을 위한 biosensing에 있는 비 사소한 성취를 나타냅니다.

그림 1: 전능성 세포의 대사 및 전기 모니터링을 위한 16 채널 MOA의 최고 보기. 스케일 바 = 1cm. 약어: OCMFETs = 유기 전하 변조 필드 효과 트랜지스터; FG = 부동 게이트; S/D = 소스/드레인; MOA = 마이크로 OCMFET 어레이. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 전능성 세포의 대사 및 전기 모니터링을 위한 MOA의 주요 제조 단계. (A 와 B) 증발된 Ti 필름은 표준 포토리터그래피 프로세스를 사용하여 OCMFET의 부동 게이트를 준비하도록 패턴화됩니다. (C) 파라린 C의 15 nm의 증착. 이 층은 네이티브 티 옥사이드와 함께 트랜지스터의 게이트 유전체 역할을합니다. (D 및 E) 패린 C 층은 플라즈마 산소 처리를 사용하여 패턴화된다. 패턴화된 포토레지스트 레이어는 전기 기록 및 부동 게이트 백 접접촉에 대한 감지 영역을 선택적으로 노출시키는 데 사용됩니다. (F) Au 상단 접문, 즉 소스, 배수, 제어 게이트 및 부동 게이트 백 컨택의 패터닝. 자체 정렬 기술은 장치의 전기 성능을 향상시키는 데 사용됩니다. (G-I) 대사 활성 모니터링을 위한 OCMFETs의 감지 영역에 Parylene C의 제2 층의 증착. 산소 플라즈마 노출 후, 이 층은 pH 에 민감한 멤브레인 (J)으로 작동합니다. (K) 유기 반도체(TIPS 펜타세네)와 배양챔버 포지셔닝의 증착 후 완전한 MOA(재료 포함)의 단면. 약어: OCMFETs = 유기 전하 변조 필드 효과 트랜지스터; FG = 부동 게이트; S/D = 소스/드레인; MOA = 마이크로 OCMFET 어레이; CG = 제어 게이트; PET = 폴리에틸렌 테레프탈레이트; 파 C = 파릴렌 C; 팁 = 6,13-비스 (트리소프로필실틸리레티넬) 펜타세인; ABS = 아크릴로니트리어버타디엔 스티렌. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

도 3: MOA를 통한 세포전기 활동 기록. (A) MOA의 표면에 부착된 쥐 심근세포(8DIV)의 수렴된 배양, 기록 세션 후 고정및 육종 단백질, 트로포묘신(upper inset)에 대한 면역염색. 바닥 인세트: OCMFET로 측정된 단일 심근세포 신호의 예. 스케일 바 = 150 μm. (B) 심근세포 배양의 전기 활성의 화학 적 튜닝. 활동 가속은 100mMm 의 노르에피네프린을 첨가한 결과, 억제는 100mM 베라파밀을 첨가한 결과. 왼쪽: 주파수 변조를 이길; 오른쪽: 5 OCMFETs 평균 및 표준 편차에 대한 통계: 기저 4분(129± 4.6), 노르에피네프린 매개(280± 28.6), 베라파밀 중재 활동(15 ± 1.9)에 대한 스파이크 카운트. (C) 심장 신호의 전파의 재구성. 오른쪽: 사이트(14)에서 사이트(41)까지의 신호의 전파를 나타내는 배양의 자발적인 활동의 래스터 플롯(오른쪽). (D) 쥐 배아 (21 DIV)에서 줄무늬 세포의 작용 잠재력. 이 그림은 ¹⁸에서 수정되었습니다. 약어: OCMFET = 유기 전하 변조 필드 효과 트랜지스터; MOA = 마이크로 OCMFET 어레이; NE = 노르피네프린; VER = 베라파밀; DIV = 시험관 내 일. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: MOA를 가진 신진 대사 활동 기록. (A) pH 민감성 및 (B) PH 민감성 채널의 응답은 TTX의 10 μM을 첨가하기 전과 후에 25 μM BIC를 첨가한다. TTX가 추가된 후, pH 에 민감한 채널의 동작은 pH 민감도 채널의 동작과 유사해진다. 특히, TTX 유도 세포 사멸으로 인해 BIC 첨가 후 현재의 변이가 관찰되지 않는다. (C) 대사 활성 기록을 위한 MOA. pH 에민감한 OCMFET는 각각 녹색과 빨간색으로 설명되어 있습니다. 인세트: 15DIV. 스케일 바 = 50 μm 후 장치에 배양된 건강한 해마 뉴런. 이 그림은 ²⁶에서 수정되었습니다. 약어: OCMFET = 유기 전하 변조 필드 효과 트랜지스터; MOA = 마이크로 OCMFET 어레이; BIC = 비큐컬린; TTX = 테트로도독신; DIV = 시험관 내 일. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

토론

세포 응용을 위한 OCMFET의 제조를 위한 이전 방법과 달리^18,29, 제안된 방법은 전기 및 대사 세포 활성을 동시에 검출할 수 있는 MOA를 준비하기 위하여 특별히 고안되었습니다. 더욱이, pH 감도를 달성하기 위한 이러한 접근법은 표준 제조 프로토콜과 호환되는 장점이 있으며 감지 영역의 화학적 변형을 포함하지 않는다(이 측면은 전체 장치의 생체 적합성을 보장한다). pH 감도는 게이트 유전체(즉, 생체 적합성 Parylene C)로 사용되는 것과 동일한 물질을 사용하여 달성되어 이러한 접근 방식을 빠르고 재현할 수 있습니다.

이 방법의 최종 결과는 체외 셀룰러 응용 을위한 유연하고 투명하며 저렴한 비용 및 다중 감지 유기 도구입니다. 단일 트랜지스터 구조와 감지 영역의 간단한 물리적 변형을 사용하여 이를 얻을 수 있다는 사실은 유기 전자 재료 및 방법의 사용에 의해 제공되는 이점을 추가합니다. 더욱이, OCMFET의 트랜스포밍 원리는 특정 반도체 또는 FG 재료에 엄격하게 의존하지 않기 때문에, 특정 용도에 따라 전체 공정을 수정하고 업스케일링할 수 있다.

제안된 기술의 중요한 측면은 플라즈마 활성화 기술의 재현성과 관련이 있다. 일관된 결과를 얻으려면 Parylene C 두께와 에칭 속도를 모두 제어해야 합니다. Parylene C 증착 공정및 플라즈마 클리너의 빈번한 보정이 절대적으로 필요합니다. 공정의 재현성에 기여하는 다른 중요한 측면은 장치의 신중한 취급과 유기 반도체의 증착입니다. 간단한 드롭 캐스팅 기술이 여기에 사용되었으며, 이는 본질적으로 재현성 한계를 제기합니다. 프로토콜 단계 10.1에 설명된 바와 같이 이러한 문제를 최소화하기 위해 매번 동일한 양의 반도체 솔루션을 사용해야 하며 용매 증발은 가능한 한 표준화되어야 합니다. 핫 플레이트를 사용하여 일정한 온도를 유지하고 각 액적 증착 후 기판을 덮면 증발 과정을 늦추는 데 도움이됩니다. 이 문제를 더욱 최소화하기 위해 증착 기술(예: 잉크젯 인쇄 방법을 사용하여)을 전환할 수 있습니다³⁰.

제안된 프로토콜의 제한은 pH 감지를 위한 OCMFET의 기능화의 특성에서 비롯됩니다. pH 센서의 안정성은 몇 주²⁶으로 제한됩니다. 그러나, 제안된 접근법의 안정성 창은 뉴런 배양 성장에 필요한 표준 인큐베이션 시간을 커버하기에 충분히 크다(2-3주). 감지 영역 기능화의 다른 유형은 더 긴 실험에 대해 고려해야 합니다. 제작 프로토콜은 전용 백 접접촉을 사용하여 FG에 전기적 액세스를 허용합니다. 장치의 정상적인 작동 중에 부동 상태로 남아 있는 이 접촉은, 다른 기술(예를 들어, 전극)을 사용하여 장치의 전기적 특성화 및 감지 영역의 기능화를 위해 악용될 수 있다.

이 절차는 광대 한 재료 또는 클린룸 시설 없이 셀룰러 응용 프로그램에 대 한 멀티 감지 장치를 준비 하는 편리한 방법을 나타냅니다. 유기 반도체및 물리적(화학적이지 않은) 감지 영역의 기능화로 인한 성능 및 안정성 한계에도 불구하고, 유사한 접근법은 체 외 에서 세포 시스템을 연구하기 위한 새로운 특수 도구를 통해 세포 생물학, 조직 공학 및 신경과학 연구원에게 제공할 수 있는 저비용(및 잠재적으로 일회용), 기계적으로 유연하고 광학적으로 투명한 센서 및 바이오 센서를 준비하는 데 사용될 수 있습니다.

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
3-(Trimethoxysilyl)propyl methacrylate	Sigma Aldrich	440159
3D printer Makerbot Replicator 2x	Makerbot		https://www.makerbot.gr/. Estimated price: 2k-3k euros.
ABS filament
Anisole	Sigma Aldrich	296295
Bromograph model Hellas	Bungard		https://www.bungard.de/. Estimated price: 1k-2k euros.
Gold	Local seller
Hydrofluoric acid	Sigma Aldrich	695068
Iodine	Sigma Aldrich	207772
Kapton tape			polyimide insulation tape
Laser cutter VLS2.30	Universal Laser Systems		https://www.ulsinc.com/it. Estimated price: 20k euros.
Multichannel Systems acquisition board			www.multichannelsystems.com
NaOH pellets	Sigma Aldrich	567530
Parylene C dimer	SCS special coating systems coating
PDMS Silgard 184	Sigma Aldrich	761036
PDS 2010 LABCOATER 2 Parylene Deposition System	SCS special coating systems		https://scscoatings.com/. Estimated price: 50k euros
PET film biaxially oriented (thickness 0.25 mm)	Goodfellow	ES301450
Petri dishes
Plasma cleaner Gambetti "Tucano"	Gambetti		https://www.gambetti.it/. Estimated price: 20k euros.
Positive photoresist AZ1518	MicroChemicals
Potassium iodide KI	Sigma Aldrich	221945
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Spin coater unit	Ossila		https://www.ossila.com/. Estimated price: 2.5k euros.
Stereoscopic microscope SMZ745T	Nikon		https://www.microscope.healthcare.nikon. com/. Estimated price: 2k-3k euros.
Thermal evaporator unit
TIPS pentacene (6,13-Bis(triisopropylsilylethynyl)-pentacene)	Sigma Aldrich	716006
Titanium wire	Goodfellow	TI005129
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