本發(fā)明涉及生物工程，具體涉及一種懸空、柔性微電極陣列器件及制造方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、藥物開發(fā)是一個漫長的過程，耗費巨大的成本且具有高失敗率。由于動物模型無法完全模擬人體受藥物作用的正確反應(yīng)，臨床前被證實有效的藥物，約有92％無法通過臨床試驗。人體中存在許多細胞具備電生理特性，例如：心肌細胞、神經(jīng)細胞等?；隗w外細胞的電生理技術(shù)可有效測試藥物對細胞的作用規(guī)律。微電極陣列由于其具備高分辨率、小尺寸等優(yōu)勢在細胞的體外場電位信號檢測方面具備十分強大的優(yōu)勢。

2、在傳統(tǒng)的工程化組織電生理信號檢測方面，通常在剛性基板上結(jié)合成熟的半導(dǎo)體技術(shù)實現(xiàn)微電極陣列制造，但由于在剛性基底和人體組織環(huán)境模量差距過大，在剛性基底上培養(yǎng)的細胞難以和電極形成良好的貼合，造成機械失配，從而導(dǎo)致細胞和電極無法長期緊密接觸，易從電極表面脫落。近年來，針對細胞和電極的貼合問題，微電極陣列的剛性電極向柔性電極的轉(zhuǎn)變趨勢可以很好的解決這一問題，通過采用水凝膠、pdms等楊氏模量僅在幾kpa和幾mpa的材料作為基底，在其上方進行場電位信號檢測，有利于還原細胞在體內(nèi)的電生理信號。

3、然而，在微觀結(jié)構(gòu)上，由于這些柔性基底無法為部分細胞，例如肌肉細胞，提供良好的地形誘導(dǎo)以及機械環(huán)境，導(dǎo)致細胞生長取向無序，難以真正模擬體內(nèi)真實的結(jié)構(gòu)和機械環(huán)境。因此，需要在體外構(gòu)建低剛度的柔性電極保證細胞和電極之間接觸良好的同時，又能實現(xiàn)工程化組織的三維培養(yǎng)和有序生長，促進體外細胞培養(yǎng)的高成熟度，需要一種新的微電極陣列器件。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述的難點，本發(fā)明目的在于構(gòu)建一種懸空、柔性微電極陣列器件及制造方法和應(yīng)用，不但能為工程化組織提供三維培養(yǎng)、有序生長的結(jié)構(gòu)和機械環(huán)境，而且能通過柔性電極跟隨細胞收縮運動，解決心肌組織場電位信號長期檢測困難的問題。

2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

3、一種懸空、柔性微電極陣列器件的制造方法，其包括如下步驟：

4、步驟1：制造框架結(jié)構(gòu)，所述框架結(jié)構(gòu)具有培養(yǎng)槽；

5、步驟2：采用熱塑性聚合物材料，通過熔融電紡工藝制造載體纖維陣列，所述載體纖維陣列懸空排列于培養(yǎng)槽上；

6、步驟3：通過濺射工藝沉積圖案化的金屬層，所述金屬層沉積于載體纖維表面并延伸至框架結(jié)構(gòu)表面形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；

7、步驟4：通過噴霧工藝于金屬層上沉積圖案化的絕緣層，選擇性暴露位于載體纖維表面的部分金屬層作為電極、位于框架結(jié)構(gòu)表面的部分金屬層作為焊盤，構(gòu)建微電極陣列；

8、步驟5：通過靜電紡絲工藝，于培養(yǎng)槽的微電極陣列上制造有序纖維支架。

9、可選的，步驟1中，所述框架結(jié)構(gòu)采用熔融沉積工藝制造，將熱塑性聚合物材料加熱至熔融狀態(tài)，噴頭內(nèi)徑為0.1～2mm，熔融溫度為100～300℃，噴頭移動速度為30～300mm/s，擠出壓力為20～250kpa。熔融沉積的熱塑性聚合物材料包括但不限于聚乳酸(pla)、聚己內(nèi)酯(pcl)、熱塑性聚氨酯彈性體(tpu)中的一種。

10、可選的，步驟2中，所述熱塑性聚合物材料為聚乳酸、聚己內(nèi)酯、熱塑性聚氨酯彈性體中的一種；所述熔融電紡工藝的條件為：噴頭內(nèi)徑為0.1～1mm，熔融溫度為100～300℃，噴頭移動速度為150～300mm/s，擠出壓力為20～250kpa，熔融電紡電壓為1～8kv，噴頭和收集板間距為1～5mm。

11、可選的，所述載體纖維陣列中，載體纖維的直徑范圍為5-100μm，間距為300-1000μm。

12、可選的，沿所述載體纖維的延伸方向，所述金屬層于各載體纖維上形成間隔的兩個區(qū)段；兩區(qū)段相背的末端分別延伸至所述框架結(jié)構(gòu)表面，相對的末端暴露于所述絕緣層下，以于各所述載體纖維上形成兩個電極。

13、可選的，所述金屬層為增粘層/導(dǎo)電層的疊層，所述增粘層的材料為ti，所述導(dǎo)電層的材料為pt、au中的一種。增粘層的厚度范圍為3-8nm，導(dǎo)電層的厚度范圍為200-300nm。

14、可選的，所述絕緣層選擇具備生物相容性的絕緣材料，包括乙基纖維素(ec)、聚酰亞胺(pi)、聚乙烯醇醚(peg)中的一種；將絕緣層材料溶于有機溶劑中形成噴霧溶液，所述噴霧工藝為靜電噴霧工藝，針頭內(nèi)徑為0.11mm，接收距離為5～20cm，溶液推進速度為100～2000μl/h，噴頭處電壓為5～30kv。

15、噴霧溶液的有機溶劑包括但不限于無水乙醇、二甲基甲酰胺、丙酮中的一種或幾種混合溶劑；噴霧溶液中絕緣層材料的含量為1～5wt％。

16、可選的，所述有序纖維支架的材料包括聚己內(nèi)酯(pcl)、聚乳酸(pla)、熱塑性聚氨酯彈性體(tpu)、聚酰亞胺(pi)中的至少一種；將有序纖維支架材料和有機溶劑混合形成電紡溶液，所述靜電紡絲工藝的條件為：針頭內(nèi)徑為0.25mm，噴頭處電壓為5～30kv，溶液推進速度為100～1000μl/h，接收距離為10～30cm。

17、電紡溶液的有機溶劑包括但不限于冰醋酸、氯仿、二甲基甲酰胺、丙酮中的一種或幾種混合溶劑；電紡溶液中有序纖維支架材料的含量為15～25wt％。

18、可選的，所述金屬層和絕緣層分別采用相應(yīng)的掩膜版實現(xiàn)圖案化沉積。改變電極材料以及制造工藝參數(shù)可以構(gòu)建不同剛度、不同尺度的微電極。

19、由上述的懸空、柔性微電極陣列器件的制造方法制造的懸空、柔性微電極陣列器件，其包括框架結(jié)構(gòu)，所述框架結(jié)構(gòu)具有培養(yǎng)槽，培養(yǎng)槽中設(shè)有懸空、柔性的微電極陣列，微電極陣列上設(shè)有有序纖維支架。

20、上述的懸空、柔性微電極陣列器件在心肌細胞培養(yǎng)中的應(yīng)用，其中通過所述微電極陣列檢測心肌細胞的場電位信號。

21、本發(fā)明的有益效果為：

22、本發(fā)明提供了一種懸空、柔性微電極陣列器件的制造方法，利用懸空熔融電紡制造柔性、微米尺度的懸空纖維作為電極載體；在載體纖維陣列上通過濺射工藝和靜電噴霧工藝分別圖案化制造金屬層和絕緣層結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)電極和焊盤的選擇性暴露。制備的懸空、柔性微電極陣列器件能夠在細胞體外培養(yǎng)過程中長期保證電極和細胞的貼合，實現(xiàn)場電位信號長期檢測，又能夠保證細胞在培養(yǎng)過程中實現(xiàn)三維、有序生長，根據(jù)不同細胞的生長需求，構(gòu)建相對應(yīng)的體內(nèi)生理結(jié)構(gòu)和機械環(huán)境；解決細胞體外培養(yǎng)三維定向排布困難問題和場電位信號長期檢測困難的問題，具有十分廣闊的應(yīng)用前景；本發(fā)明制造方法無需犧牲材料、制備流程簡單高效，同時可使用單一掩模板制造不同尺寸要求的電極，降低制造掩模版所需的成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)特征：

1.一種懸空、柔性微電極陣列器件的制造方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸空、柔性微電極陣列器件的制造方法，其特征在于：步驟1中，所述框架結(jié)構(gòu)采用熔融沉積工藝制造，將熱塑性聚合物材料加熱至熔融狀態(tài)，噴頭內(nèi)徑為0.1～2mm，熔融溫度為100～300℃，噴頭移動速度為30～300mm/s，擠出壓力為20～250kpa。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸空、柔性微電極陣列器件的制造方法，其特征在于：步驟2中，所述熱塑性聚合物材料為聚乳酸、聚己內(nèi)酯、熱塑性聚氨酯彈性體中的一種；所述熔融電紡工藝的條件為：噴頭內(nèi)徑為0.1～1mm，熔融溫度為100～300℃，噴頭移動速度為150～300mm/s，擠出壓力為20～250kpa，熔融電紡電壓為1～8kv，噴頭和收集板間距為1～5mm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸空、柔性微電極陣列器件的制造方法，其特征在于：所述載體纖維陣列中，載體纖維的直徑范圍為5～100μm，間距為300～1000μm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸空、柔性微電極陣列器件的制造方法，其特征在于：沿所述載體纖維的延伸方向，所述金屬層于各載體纖維上形成間隔的兩個區(qū)段；兩區(qū)段相背的末端分別延伸至所述框架結(jié)構(gòu)表面，相對的末端暴露于所述絕緣層下，以于各所述載體纖維上形成兩個電極。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸空、柔性微電極陣列器件的制造方法，其特征在于：所述金屬層為增粘層/導(dǎo)電層的疊層，所述增粘層的材料為ti，所述導(dǎo)電層的材料為pt、au中的一種。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸空、柔性微電極陣列器件的制造方法，其特征在于：所述絕緣層的材料為乙基纖維素、聚酰亞胺、聚乙烯醇醚中的一種；將絕緣層材料溶于有機溶劑中形成噴霧溶液，所述噴霧工藝為靜電噴霧工藝，針頭內(nèi)徑為0.11mm，接收距離為5～20cm，溶液推進速度為100～2000μl/h，噴頭處電壓為5～30kv。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的懸空、柔性微電極陣列器件的制造方法，其特征在于：所述有序纖維支架的材料包括聚己內(nèi)酯、聚乳酸、熱塑性聚氨酯彈性體、聚酰亞胺中的至少一種；將有序纖維支架材料和有機溶劑混合形成電紡溶液，所述靜電紡絲工藝的條件為：針頭內(nèi)徑為0.25mm，噴頭處電壓為5～30kv，溶液推進速度為100～1000μl/h，接收距離為10～30cm。

9.由權(quán)利要求1～8任一項所述的懸空、柔性微電極陣列器件的制造方法制造的懸空、柔性微電極陣列器件，其特征在于：包括框架結(jié)構(gòu)，所述框架結(jié)構(gòu)具有培養(yǎng)槽，培養(yǎng)槽中設(shè)有懸空、柔性的微電極陣列，微電極陣列上設(shè)有有序纖維支架。

10.權(quán)利要求9所述的懸空、柔性微電極陣列器件在心肌細胞培養(yǎng)中的應(yīng)用，其特征在于：通過所述微電極陣列檢測心肌細胞的場電位信號。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及生物工程技術(shù)領(lǐng)域，具體提出一種柔性、懸空微電極陣列器件的制造方法，其制造具備培養(yǎng)槽的器件框架，并通過懸空熔融電紡工藝在培養(yǎng)槽上方打印懸空、有序載體纖維陣列，進行載體纖維上電極的金屬層圖案化濺射，接著使用靜電噴霧的方式在金屬層表面形成圖案化絕緣層，最后集成靜電紡絲的有序纖維支架作為細胞培養(yǎng)支架。制備的懸空、柔性微電極陣列器件能夠在細胞體外培養(yǎng)過程中長期保證電極和細胞的貼合，實現(xiàn)場電位信號長期檢測。本發(fā)明制造方法無需犧牲材料、制備流程簡單高效，降低成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：孫道恒,薛命鋮,章王子涵,金航,吳匯權(quán),許豐,陳松月,何功漢
受保護的技術(shù)使用者：廈門大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19