[发明专利]用于细胞操作及电生理信号检测的微电极阵列器件及专用装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于细胞操作及电生理信号检测的微电极阵列器件及专用装置。

背景技术

微电极阵列芯片(microelectrode array，MEA)是指可以在神经细胞、组织 或者系统水平多通道、实时地检测神经电生理信号或神经递质的微型装置总称，最 早平面微电极阵列芯片是1972由Thomas等人报道的，用于记录体外培养心肌细胞 的电活动。

如上所述，微电极阵列芯片最早是由于人们为了研究神经系统活动特性及机制 而兴起的。1949年，Lilly首先采用灌注电解液的多管组合微电极插入方法研究灵 长类动物的行为与神经元放电的关系；接着灌注金属(液态灌注再凝固成固态)的 微电极开始应用，并促使集成式的微电极阵列芯片的发展；1970年，Wise等人利 用集成电路的加工方法制作了微电极阵列探针，用于检测成年猫大脑皮层内的电活 动；直到1972年，真正意义上的平面微电极阵列技术由Thomas等人首次报道，他 们检测了心肌的电活动；1977年，Gross等人用激光去绝缘层的方法制作了单电极 直径为10μm的微电极阵列，对蜗牛脑部的神经节进行检测；1985年，Gross领导 的小组首次应用透明导电的铟锡氧化物作为电极及引线材料，虽然这种方法有利于 观察电极表面细胞的生长情况，但它的阻抗要比金电极大很多，会严重降低信噪比。 到1990年代体外培养式微电极阵列芯片逐渐趋于成熟，1998年，Pancrazio所在 的小组采用工业化光刻微加工技术来生产芯片并发展出便携式胞外记录系统，目的 是要开发一种集成的基于细胞的生物传感器，用来快速检测多种神经毒素。

此种微电极阵列芯片面临一个问题：体外培养的神经细胞并非准确定位在电极 上，造成细胞与电极的贴附性较差或有距离，而且电刺激和电信号检测有可能发生 在不同细胞的不同部位上。由于细胞外电极记录电信号对细胞与电极的空间位置关 系非常敏感，导致获得的电信号幅值往往偏小(特别是对早期发育阶段的神经网络 进行记录)，形状也较复杂，故不利于电信号的软件分选以及确定对应的神经细胞， 期待改进。因此，如果能提供一种简便而有效的方法将细胞定位在记录电极上，将 大大增强芯片的检测性能并扩大其适用范围。目前常见控制细胞定位的方法主要有 两种。一种方法是通过微加工方法制作微型的凹坑、凹槽等结构。然而，这种方法 缺陷明显，因为一般需要用玻璃微管将细胞逐个移到凹坑中，难度极大，而且细胞 容易逃离凹坑。第二种方法是通过化学修饰方法，利用细胞在不同材料上的贴附性 差异，实现细胞定位。但这种方法除了需要将活性生物分子有效地结合在基底之外， 很难实现神经网络与微电极阵列的精确对准，且经过修饰的芯片却无法重复使用。

近年来，人们开始尝试用微电极产生介电力来定位神经细胞：Heida等人(Heida T.et al.，IEEE Trans.Biomed.Eng.，49(10)：1195-1203，2002)利用四个电极 通过负向介电力来汇集神经细胞；Ozkan领导的小组(Prasad S.et al.，J Neurosci Methods，135(1-2)：79-88，2004)则利用16个微电极阵列芯片直接产生正向介电 力来吸附神经细胞，但将细胞推到电场强的区域会对细胞产生不可逆的损伤作用。 2008年，Pan等人(Pan L.et al.，J Neurosci Methods，170：123-129，2008) 公开了一种自动定位细胞并检测电生理信号的微电极阵列，其采用双层布线工艺， 在下层金属层排布测量电极，在上层金属层排布8*8的定位电极阵列，他们将芯片 上的定位电极根据所加信号的不同分为2组，并将这2两组电极分别连接在一起后 引出，通过负向介电力的方式来富集细胞，但这种方法仅能形成单一固定的细胞网 络，且仅能完成细胞定位并检测这单一功能。

发明内容

本发明的目的是提供用于细胞操作及电生理信号检测的微电极阵列器件及专 用装置。所述器件可以单独对其中任一个电极进行操作，从而形成不同聚集程度的 细胞网络并对其释放的电信号进行检测。同时，此器件还可以对细胞进行操作，例 如完成细胞电旋转等功能。