微电极阵列细胞芯片的设计及其对心肌细胞生理特性的研究

发布时间：2021-05-10 15:37

　　细胞传感器作为一类以活体细胞为一级传感单元、换能器为二级传感单元的器件,具有高灵敏度、低成本、高通量检测等特点,是环境毒性研究、食品安全、药物筛选等领域研究的有效手段并在近年来逐渐实现产业化。微电极阵列（Microelectrode Arrays, MEAs）是以检测电兴奋类细胞如心肌细胞、神经网络等的电生理活动的一类细胞传感器。它因无损检测、响应速度快、制备工艺简单、可扩展性强等特点而具有广泛的应用前景。本论文基于微电极阵列,针对心肌细胞的特性扩展了其设计和功能,开发了具有多功能共同分析的细胞传感器平台,并研究了心肌细胞的生理特性及基于此的药物毒性研究。所设计的平台亦可推广用于其它类型细胞的研究。本论文的主要内容和创新点在于：一.深入分析微电极阵列胞外场电位的检测机理,并应用于实际细胞芯片的设计。本文基于金属电极-电解液双电层模型和离子通道模型,系统地研究了细胞与微电极耦合的点接触模型。采用仿真软件工具对胞内外场电位的关系进行了深入的分析,阐述了细胞-微电极的界面特性对分析细胞胞内外电位的影响。基于该模型的分析结果设计的细胞芯片表现出良好的生物相容性和稳定性。细胞芯片成功记录了心肌细... 

【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：144 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
英文摘要
第一章 绪论
    1.1 细胞传感器的定义
    1.2 细胞传感器的发展
        1.2.1 MEMS技术
        1.2.2 生物材料
        1.2.3 微流控
    1.3 多功能细胞传感器的发展
    1.4 论文主要内容
    1.5 参考文献
第二章 基于微电极阵列(MEA)的细胞传感器基础
    2.1 心肌细胞电生理基础
        2.1.1 心肌细胞基本结构
        2.1.2 心肌细胞动作电位产生机制
        2.1.3 心肌细胞兴奋-收缩偶联机制
        2.1.4 新生心肌细胞的研究意义
    2.2 细胞-金属电极界面耦合
        2.2.1 金属电极-电解液界面双电层
        2.2.2 芯片的表面修饰及细胞生长
    2.3 MEA的定义及发展历史
        2.3.1 MEA定义、基本结构及特点
        2.3.2 MEA发展历史
    2.4 细胞-MEA等效电路建模
        2.4.1 心肌细胞电生理建模
        2.4.2 电极-电解液界面阻抗建模
        2.4.3 跨膜电位-胞外信号传导模型
    2.5 MEA设计、加工及测试
        2.5.1 MEA材料及加工工艺
        2.5.2 MEA的加工
        2.5.3 MEA检测系统
        2.5.4 MEA性能测试
    2.6 基于MEA的胞外电位检测
        2.6.1 细胞在MEA芯片上的培养
        2.6.2 心肌细胞的胞外电位检测及分析
        2.6.3 海马神经细胞的胞外电位检测及分析
        2.6.4 嗅上皮细胞响应电位的检测与分析
    2.7 本章小结
    2.8 参考文献
第三章 基于多尺度电极阵列(MSEA)的心肌兴奋-收缩偶联研究
    3.1 心肌细胞兴奋-收缩偶联(ECC)
        3.1.1 心肌细胞机械收缩检测
        3.1.2 ECC研究方法
        3.1.3 本章研究目的
    3.2 MSEA设计及信号检测
        3.2.1 MSEA设计及制作
        3.2.2 芯片性能测试及优化
        3.2.3 不同尺度的电极信号分析
    3.3 基于MSEA在长春碱作用下的心肌机械收缩分析
        3.3.1 长春碱介绍
        3.3.2 长春碱作用下的心肌电位和搏动变化
    3.4 电位和搏动检测机理讨论
        3.4.1 心肌机械搏动检测机理分析讨论
        3.4.2 胞外电位及搏动检测的等效电路模型比较
        3.4.3 MSEA芯片的优势及应用展望
    3.5 本章小结
    3.6 参考文献
第四章 细胞电生理功能和形态检测的复合芯片设计及药物研究
    4.1 心肌细胞电生理功能和形态的研究意义
        4.1.1 心肌细胞电生理功能检测
        4.1.2 心肌细胞形态
        4.1.3 功能-形态研究的意义
    4.2 细胞-电极阻抗检测(ECIS)法研究细胞形态
        4.2.1 ECIS介绍
        4.2.2 ECIS检测原理
    4.3 多功能芯片设计及加工
        4.3.1 芯片设计
        4.3.2 芯片加工封装
        4.3.3 系统及测试
    4.4 基于多功能芯片的阿霉素诱发的心脏毒性研究
        4.4.1 阿霉素引起的心脏毒性
        4.4.2 阿霉素作用下细胞胞外电位变化
        4.4.3 阿霉素作用下细胞-电极阻抗变化
        4.4.4 电位-阻抗分析并讨论
    4.5 本章小结
    4.6 参考文献
第五章 基于细胞多功能集成芯片的自动分析仪设计
    5.1 自动分析仪概述及总体设计
        5.1.1 概述
        5.1.2 总体设计框架
    5.2 硬件设计
        5.2.1 MEA模块信号检测电路
        5.2.2 ECIS模块信号检测电路
        5.2.3 环境控制模块电路
    5.3 软件设计
    5.4 自动分析仪样机测试
        5.4.1 样机设计
        5.4.2 性能及指标
        5.4.3 仪器的测试结果及分析讨论
    5.5 本章小结
    5.6 参考文献
第六章 总结与展望
    6.1 全文总结
    6.2 存在问题及解决方案
    6.3 工作展望
    6.4 参考文献
作者简历
攻读学位期间发表的学术论文及成果
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]锑化铟磁阻型红外光电传感器及其特性研究[J]. 吴闽,黄钊洪.  红外与激光工程. 2006(S5)



本文编号：3179615