测量单个细胞电信号的微电极阵列芯片、制作方法及应用

本申请涉及在基片内或其上制造或处理的装置或系统，具体涉及测量单个细胞电信号的微电极阵列芯片、制作方法及应用。

背景技术：

1、心肌细胞是一种可兴奋细胞，在心脏中，自律细胞发出的电信号使心肌细胞产生动作电位，细胞膜电位的改变使心肌细胞发生收缩，随后心肌细胞发生复极化并进入舒张状态。动作电位可通过缝隙连接在不同心肌细胞之间进行传导，使多个心肌细胞具有一致的收缩节律，从而将血液从心脏输送到身体各部位。

2、心脏系统疾病发生率逐年上升，许多心脏系统疾病的潜在机制是未知的，这种知识的缺乏可能源于对单个心肌细胞的有限了解，因此，检测单个细胞之间的差异性有助于我们更好的了解心脏系统疾病的潜在机制。

3、现有的细胞电位检测技术主要有膜片钳、场效应晶体管、微电极阵列等。膜片钳技术是检测细胞电信号最有效的方法，可准确的检测胞内信号，被称为心肌细胞电信号检测的“金标准”，但是膜片钳技术操作复杂，对操作人员要求很高而且无法长时间测量细胞。场效应晶体管技术可以监测单细胞动作电位幅值和频率变化情况，并能反映药物刺激和电刺激对细胞是否有兴奋效应或抑制效应，但这种技术制备工艺复杂，成品率低，器件使用寿命短。平面微电极阵列芯片提供了一个无创的细胞-电极界面，允许在数天或数周内对细胞进行长期记录和刺激。但平面微电极阵列具有较低的细胞耦合和信噪比，在测量细胞膜电位特别是单个细胞的膜电位具有局限性。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种具有高细胞耦合和信噪比的测量单个细胞电信号的微电极阵列芯片，采用的技术方案为：

2、一种测量单个细胞电信号的微电极阵列芯片，包括：

3、基板，

4、微电极阵列，设置在基板，具有阵列间隔分布的多个微电极，每个所述微电极分别包括由下至上依次形成的粘附层、导电层和微柱；

5、绝缘层，形成于基板和微电极阵列上，且露出所述微柱的上端；

6、包被层，形成于所述绝缘层和微电极阵列上；

7、琼脂糖薄膜，具有与微电极阵列相匹配的腔室阵列，贴附在包被层上，且每个微电极的针体的上端分别位于腔室内。

8、本发明的一种实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：所述粘附层的材质为钛或铬，所述导电层和微柱的材质为金、铂、氮化钛或铟锡氧化物中的一种，所述绝缘层的材质为二氧化硅、氮化硅、氮氧硅、su8、聚酰亚胺或聚对二甲苯中的一种。

9、本发明的一种实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：所述粘附层的厚度为5-14纳米，导电层的厚度为100-150纳米，绝缘层的厚度为500-1000纳米。

10、本发明的一种实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：所述基板上设有12-64个圆形微电极，微电极的直径为10-30微米，间距为100-500微米；

11、微电极上存在1-9个微柱，微柱的直径为0.3-3微米，高度为0.3-3微米，相邻两个微柱之间的间距为3-7微米。

12、本申请还提出如上述的测量单个细胞电信号的微电极阵列芯片的制作方法，其特征在于，包括：

13、步骤1、制作微电极阵列：清洗基板并用氮气吹干后，在基板上采用lift-off工艺制作粘附层和导电层；在基板上沉积绝缘层后涂布光刻胶，对光刻胶进行图形化曝光并用去离子水清洗并用氮气吹干后，对绝缘层进行蚀刻形成微孔，再在基板的表面覆盖电极材料，对光刻胶进行剥离后，导电层上在微孔内电极材料形成微柱，基板上形成微电极阵列；

14、步骤2、制作琼脂糖薄膜：制作母模，母模包括基底以及设置在基底上且与微电极阵列匹配的成型槽阵列，将pdms和固化剂的混合液浇在母模上进行固化得到pdms板，将固化后的pdms板从母模上剥下，在pdms板上覆盖载玻片，用移液管将液体琼脂糖移到载玻片边缘，液体琼脂糖通过毛细管力进入pdms板和载玻片之间，使液体琼脂糖固化后得到具有腔室阵列的琼脂糖薄膜，取下载玻片，剥下琼脂糖薄膜；

15、步骤3、对微电极阵列和琼脂糖薄膜进行无菌化处理后，用蒸馏水冲洗琼脂糖薄膜，用聚赖氨酸包被微电极阵列，形成包被层，在基板上滴一滴蒸馏水，将琼脂糖薄膜的腔室阵列与微电极阵列对齐后贴在包被层上，形成具有单个细胞培养腔室的微电极阵列芯片。

16、本发明的一种实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：所述步骤1中的微孔的直径为0.3-3微米。

17、本发明的一种实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：所述腔室的长边大小为120-150微米，短边大小为15-30微米。

18、本申请还提出一种如上述测量单个细胞电信号的微电极阵列芯片的应用，导电层包括金属导线和接触点，将培养环粘接在所述微电极阵列结构的上方形成培养皿，微电极阵列和琼脂糖微孔都位于培养环内，所述接触点位于所述培养环外；

19、向培养皿内滴加心肌细胞培养液持续培养7-14天，将培养了心肌细胞的芯片与接口电路相连并接入电生理信号检测仪器中，记录心肌细胞的放电状况。

20、本发明的有益效果：

21、本申请通过在基板上形成微柱，使得所述微电极阵列芯片具有高细胞耦合和信噪比；

22、本申请通过在微电极阵列芯片设置琼脂糖薄膜，使得所述微电极阵列芯片能在液相下对单个心肌细胞电信号进行长期、稳定的测量。

技术特征：

1.一种测量单个细胞电信号的微电极阵列芯片，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的测量单个细胞电信号的微电极阵列芯片，其特征在于，所述粘附层(3)的材质为钛或铬，所述导电层(4)和微柱(8)的材质为金、铂、氮化钛或铟锡氧化物中的一种，所述绝缘层(6)的材质为二氧化硅、氮化硅、氮氧硅、su8、聚酰亚胺或聚对二甲苯中的一种。

3.根据权利要求1所述的测量单个细胞电信号的微电极阵列芯片，其特征在于，所述粘附层(3)的厚度为5-14纳米，导电层(4)的厚度为100-150纳米，绝缘层(6)的厚度为500-1000纳米。

4.根据权利要求1所述的测量单个细胞电信号的微电极阵列芯片，其特征在于，所述基板(1)上设有12-64个圆形微电极，微电极的直径为10-30微米，间距为100-500微米；

5.一种如权利要求1-4任一项所述的测量单个细胞电信号的微电极阵列芯片的制作方法，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述的测量单个细胞电信号的微电极阵列芯片的制作方法，其特征在于，所述步骤1中的微孔的直径为0.3-3微米。

7.根据权利要求5所述的测量单个细胞电信号的微电极阵列芯片的制作方法，所述腔室的长边大小为120-150微米，短边大小为15-30微米。

8.一种如权利要求1所述测量单个细胞电信号的微电极阵列芯片的应用，其特征在于：

技术总结
本发明公开一种测量单个细胞电信号的微电极阵列芯片、制作方法及应用，微电极阵列芯片包括：基板；微电极阵列，设置在基板，具有阵列间隔分布的多个微电极，每个所述微电极分别包括由下至上依次形成的粘附层、导电层和微柱；绝缘层，形成于基板和微电极阵列上，且露出所述微柱的上端；包被层，形成于所述绝缘层和微电极阵列上；琼脂糖薄膜，具有与微电极阵列相匹配的腔室阵列，贴附在包被层上，且每个微电极的针体的上端分别位于腔室内。本申请通过在微电极阵列芯片设置琼脂糖薄膜，使得所述微电极阵列芯片能在液相下对单个心肌细胞电信号进行长期、稳定的测量；并在基板上形成微柱，使得所述微电极阵列芯片具有高细胞耦合和信噪比。

技术研发人员：董莉彤,董淑迪,刘梦楠,杨帆,高明燕,王作斌,宋正勋,许红梅
受保护的技术使用者：长春理工大学中山研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12