IEEE MEMS2025 | 新型双重检测平台增强心脏毒性筛查效果

逍遥设计自动化

引言

心脏毒性筛查是药物开发过程中的重要环节，需要全面评估药物化合物对心脏功能的影响。近期生物传感技术的进展使同时监测心脏机械和电学参数成为实际应用。本文介绍一种创新的双重检测方法，结合纳米硅应变传感器和微电极阵列(MEA)，用于加强心脏毒性筛查[1]。
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系统设计和工作原理
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8 G; l5 {. e  R4 n; q1 P- y1 v2 p该生物传感平台通过整合两个核心部件提出创新的心脏功能监测方法：纳米硅应变传感器和微电极阵列。这种整合使心肌细胞的机械收缩性和电活性得以同时测量。
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图1：(a)生物传感平台的工作原理概念图。(b)器件组件和设计的结构概述。这种双重检测系统通过同时测量机械和电信号，实现对心肌细胞功能的全面监测。

( D* l9 ^8 {& H2 I+ e: W8 J2 X该平台的设计包含几个关键要素：作为基底的玻璃基板、配备纳米硅应变传感器的微悬臂梁，以及集成的MEA系统。当心肌细胞培养在这个平台上时，会在微悬臂梁和MEA表面形成连续层。随着细胞收缩，产生的机械力导致微悬臂梁弯曲，同时产生的电信号被MEA检测到。
制造工艺和集成过程

  _2 B8 V5 [& x% n& P  a该生物传感平台的制造过程包含多个精密步骤，将传统微加工技术与创新的传感器集成方法相结合。
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1 x3 \. }: \5 P" P2 ?- Y' l; I9 {图2：(a)详细展示生物传感平台逐步制造过程。(b)从SOI晶圆到微悬臂梁的纳米硅应变传感器转移具体步骤。该过程展示了制造这种先进传感器件所需的精确度。
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+ z. D( e5 F' W( t, ?# e( D制造始于在玻璃基板上沉积铜层，随后涂覆专用的聚酰亚胺光刻胶KMSF-1000。这种材料选择十分重要，因为相比传统替代品具有更优异的机械性能。然后使用精确的打印方法将纳米硅传感器小心转移到微悬臂梁表面，接着集成传感器和MEA的金属互连。
$ w- h. {) Q1 u* h2 p; \实验设置和测量

; i0 x/ m0 E) E. G% ?" p* u实验设置旨在于受控条件下对心肌细胞功能进行全面监测。
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- D# ^5 u1 d4 e1 J4 w图3：(a)用于同时测量心肌细胞活性的实验设置示意图。(b)和(c)显示在MEA和微悬臂梁组件上培养的心肌细胞的显微图像，证实细胞与传感平台成功整合。
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系统运行涉及将培养有心肌细胞的平台放置在培养箱中，同时记录场电位信号和机械收缩性。场电位信号通过专用采集芯片处理，而应变传感器输出在记录前经过放大和滤波。
* b4 n" J/ M# P. a3 P, h. U7 Q性能和结果
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0 B$ G  n7 |. n/ m# C+ s该平台在长期监测心肌细胞功能方面表现出优异性能。

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& ~/ A% F6 M' `& ]; O图4：(a)不同培养期间MEA和纳米硅应变传感器信号的同步记录。(b)和(c)分析各种参数，包括收缩性、搏动频率、场电位幅度和场电位持续时间，显示平台能够随时间追踪细胞发育。

$ U) C9 K, A. p* v3 e& L0 ]+ Z结果显示该平台可检测低至6.9 nN的力，信噪比显著超过传统金属应变传感器。长期监测显示心肌细胞行为的演变，从第3天开始出现初始收缩活动，到两周培养期间发展出同步搏动模式和稳定的机械功能。
发展方向
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这种创新平台为药物开发和心脏研究提供新的研究工具。通过同时监测心脏功能的机械和电学方面，提供了更全面的药物诱导心脏毒性认识。未来发展将着重于微型化和基于阵列的配置，用于高通量筛查应用，有望推进心脏药物安全评估领域的发展。
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6 x- D! w. U) A. p该平台卓越的灵敏度和双重检测能力使其在理解药物化合物对心脏复杂反应方面表现出色，有助于加快药物开发进程，同时提高安全性评估水平。随着技术不断发展，将为心脏功能和药物诱导效应提供更详细的见解，最终促进更安全、更有效的药物研发。
6 ~. Y3 s' O, ^1 G参考文献

0 J2 A2 y5 i6 t1 N# W2 m[1] H. Sun, L. Li, and D.-W. Lee, "A dual-detection approach for cardiotoxicity screening: Utilizing nano silicon strain sensor and MEA to monitor contractility and field potential in cardiomyocytes," in IEEE MEMS 2025, Kaohsiung, Taiwan, Jan. 19-23, 2025, pp. 4-7.
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