三维自卷式生物传感器阵列

 细胞间通讯在协调生物系统功能中起着重要作用。三维(3-D)球状体(细胞聚集体)允许生物学家在组织发育和药物发现过程中探索细胞通讯，因为它们的3-D结构可以模拟实验室内的体内微环境。细胞电生理学是研究电活性细胞。

利用这些阵列，研究团队获得了具有高灵敏度和时空分辨率以及同时钙成像的连续且稳定的场电位多重记录。该方法允许科学家进行电生理学研究，以监测电子芯片上器官平台(器上电子芯片)上的3-D细胞聚集体内的复杂信号转导。这项工作将为研究实验室中的活组织成熟和细胞分化铺平道路，同时支持基于电活性细胞的药物开发策略来治疗心律失常等疾病。

多细胞生命是基于细胞与细胞的交流，它构成了各种组织和器官中高阶功能的基础。细胞在其天然3-D微环境中与周围的基质紧密相连，形成复杂的动态系统。生物科学家通常在2-D表面(细胞培养板)上培养细胞数十年，用于体外研究。然而，2-D和3-D培养技术在细胞行为的许多关键特征中定量和定性地不同。

从牺牲层蚀刻中释放的3-D自卷式生物传感器阵列(3-D-SR-BA)的几何构象。图片来源：Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.aax0729

细胞电生理学用于研究跨越多种细胞的细胞通讯，包括胰岛中的电活性心肌细胞(CM)，神经元和α/β细胞，以及包括肝细胞和免疫细胞的非电活性细胞。在器官芯片平台上培养的三维类器官已经形成了研究组织发育和药物发现策略的新途径。生物工程师已经使用这样的系统来研究细胞 - 细胞通信的潜在机制，并且在组织工程中具有潜在的应用。

在目前的工作中，卡尔米科夫等人。提出了一种新的组合方法，用于设计电子元器件作为自卷式生物传感器阵列(3-D-SR-BA)并进行球体的电生理测量以研究3-D多细胞系统。材料科学家目前正在开发有趣和不断发展的生物活性先进材料，同时研究具有活细胞的自卷式聚合物结构，以了解细胞材料运动/致动以响应光，pH，温度和电或磁触发。

研究团队使用其可调谐特性为3-D传感设备供电，它们通过电极排列和设备曲率进行控制。使用自卷装置，他们获得了组织规模电生理学的三维测量，这些测量以前是在二维芯片表面上使用传统电子设备无法获得的。测量整个3-D构建体的电活动的能力使它们能够理解整个构建体中的信号传播。卡尔梅科夫等人。在牺牲层和具有金属电极线的聚合物支撑上设计器件，以提供到组成场有效晶体管(FET)的源极和漏极互连。

为了推动3-D器件的形状转换，该团队探索了器件组成层之间的残余失配应力，它们通过改变材料沉积压力，沉积速率和最终薄膜的厚度来控制。为了理解设备的自滚动行为，他们使用三维有限元分析(FEA)对过程进行建模。基于这些结果，他们对器件进行了优化，以直接监测球体的电活动，其尺寸范围从50到200μm不等，以改善生物传感器 - 细胞界面相互作用，同时保持健康和完整的球状体。

为了说明3-D器件的灵活性，研究团队还将石墨烯FET(GFET)作为活性生物传感器。与此同时，他们设计了无源生物传感器，如微电极阵列(MEAs)，以研究蜂窝网络的电生理学，以便在多个站点上进行精确的电刺激。作为概念验证，Kalmykov等人。在3-D装置上使用MEA来研究球状体在细胞分辨率下的电活动。他们使用循环伏安法(CV)和电化学阻抗(EIS)证实了内置微电极的电化学性质，并修改了生物传感器以改善电记录和改善电化学活性。适用于带有源生物传感器(GFET)的三维器件研究团队包括传感器，因为它们具有出色的导电性，卓越的坚固性，机械强度和易于调节性。使用细胞系材料活力测定与处理五天老的心肌细胞(CM)的球状体的3-d装置的团队进行随后的测试生物相容性II型肌球蛋白以抑制自发细胞搏动。结果显示，3-D装置对包封的球状体的健康或活力没有负面影响。

在进一步的实验中，研究小组从人胚胎干细胞衍生的心肌细胞球体中获得了3-D记录，其在播种第3天显示出自发性收缩。到第7天，他们将生电细胞转移到3-D装置，以便与生物传感器接触成功封装，以改善细胞界面相互作用，从而获得电生理记录。该团队在封装后3小时内从同一个球体发现了稳定的记录，包括高时间分辨率的拍频信息。他们获得了电子记录并构建了椭球体表面的三维等时线图并计算了传导速度，这与先前的报道一致。

通过这种方式，Anna Kalmykov及其同事通过实验证明了第一项使用3-D-SR-BA设备对多维同时测量3-D多细胞系统的研究。该团队控制了不同尺寸的传感器定制球体界面的3-D设备几何形状。实验装置提供来自3-D球体中的各个细胞的信息以及特殊记录。Kalmykov等人提出的装置。介绍了一种新的电子元器件生物电子学方法。研究人员旨在扩展电生理学能力，并将电测量刺激与生物传感相结合，以实现更复杂的设置，从而更深入地了解3-D电生成组织结构。