כאן, אנו מציגים את פרוטוקול הייצור של מכשיר טרנזיסטור בעל אפקט שדה אורגני המופנן בטעינה (OCMFET) להתמשואות תאית במבחנה . המכשיר, הנקרא מערך מיקרו OCMFET, הוא מכשיר גמיש, בעלות נמוכה ונקני ייחוס, שיאפשר ניטור של הפעילות החשמלית והמטבולית של תרביות תאים אלקטרואקטיביים.
אלקטרופיזיולוגיה מודרנית מונעת כל הזמן על ידי פיתוח מקביל של כלים וחומרים מתוחכמים יותר ויותר. תגליות בתחום הובילו להתקדמות טכנולוגית בתהליך הלוך ושוב שבסופו של דבר קבע את ההישגים המרשימים של 50 השנים האחרונות. עם זאת, המכשירים המועסקים ביותר המשמשים להתממשקות תאית (כלומר, מערכי המיקרו-קטרודה והמכשירים המיקרו-אלקטרורוניים המבוססים על טרנזיסטורים) עדיין מציגים מספר מגבלות כגון עלות גבוהה, קשיחות החומרים ונוכחות של אלקטרודה התייחסות חיצונית. כדי להתגבר חלקית על בעיות אלה, היו התפתחויות בתחום מדעי חדש שנקרא ביואלקטרוניקה אורגנית, וכתוצאה מכך יתרונות כגון עלות נמוכה יותר, חומרים נוחים יותר וטכניקות ייצור חדשניות.
כמה מכשירים אורגניים חדשים ומעניינים הוצעו במהלך העשור האחרון כדי להתממשק בנוחות עם תרביות תאים. מאמר זה מציג את הפרוטוקול לייצור מכשירים להתמשכות תאית בהתבסס על טרנזיסטור אפקט שדה (OCMFET) המופנן בטעינה אורגנית. התקנים אלה, הנקראים מערכי מיקרו OCMFET (MOAs), משלבים את היתרונות של אלקטרוניקה אורגנית ואת התכונות המוזרות של OCMFET כדי להכין כלים שקופים, גמישים ונקני ייחוס שבהם ניתן לפקח הן על הפעילות החשמלית והן על הפעילויות המטבוליות של קרדיומיוציטים ונוירונים במבחנה, ובכך לאפשר הערכה רב-פרמטרית של מודלים של תאים אלקטרוגניים.
ניטור In vivo של תאים אלקטרואקטיביים, כגון נוירונים וקרדיומיוציטים, מייצג גישה תקפה ועוצמתית ביישומי מחקר בסיסיים למוח האנושי, מחקרי קישוריות תפקודית, פרמקולוגיה וטוקסיקולוגיה. הכלים המועסקים בדרך כלל למחקרים כאלה מבוססים בעיקר על מערכי מיקרו-ectrode (MEAs) 1,2,3,4,5 והתקנים יעילים וחזקים יותר ויותר של אפקטי שדה (FEDs)6,7,8,9,10,11,12 . שתי משפחות אלה של מכשירים מאפשרות ניטור וגירוי בזמן אמת של הפעילות החשמלית של נוירונים וקרדיומיוציטים ומאופיינות בדרך כלל בחוסן, קלות שימוש ואמינות. תכונות אלה הופכות את MEAs ו- FEDs לתקן הזהב עבור יישומים אלקטרופיזיולוגיים, המועסקים כיום כדי להתממשק עם תרביות תאיות סטנדרטיות, פרוסות מוח אורגנוטיפיות ואורגנוידים תלת-ממדיים13,14,15,16. למרות השימוש הנרחב שלהם ואת התכונות המרשימות שלהם, MEAs ו FEDs להציג כמה מגבלות כגון עלות גבוהה, קשיחות של החומרים, ואת נוכחותה של אלקטרודה התייחסות מגושם בדרך כלל, אשר צריך להיות ממוקם בסביבת נוזל המדידה והוא הכרחי להפעלה נכונה של המכשירים.
כדי לבחון פתרונות חלופיים להתממשקות סלולרית, הושקע בעשור האחרון מאמץ רב בחקר מכשירים אלקטרוניים המבוססים על חומרים אורגניים וטכניקות ייצור חדשניות17. בין מספר מכשירים אורגניים שנחקרו כדי לטפל במגבלות הנ”ל, טרנזיסטור אורגני מוזר בשם OCMFET הוצע לאחרונה כחלופה תקפה ל- MEAs ו- FEDs18. בנוסף למאפיינים הסטנדרטיים המוצעים על ידי טכנולוגיית האלקטרוניקה האורגנית, כגון חומרים בעלות נמוכה וטכניקות ייצור, תכונות מכניות וכימיות אופטימליות, שקיפות אופטית ואופציה ביולוגית, ה- OCMFET מציע גם רגישות לטעינה גבוהה במיוחד (בשל המבנה הכפול שלו) ללא צורך באלקטרודה התייחסות חיצונית. יתר על כן, חיישן אורגני זה יש את היכולת המדהימה של חישה שונה אנליטה / פרמטרים פיזיים, בהתאם לפונקציונליזציה הספציפית של אזור החישה שלה, אשר מופרד מאזור הטרנזיסטור19,20. כל התכונות האלה ניתן לנצל בנוחות לרכישת פרמטרים שונים בתוך תרבות הסלולר. בפרט, בנוסף ליכולת לזהות את הפעילות החשמלית העצבית/לבבית, ניתן גם לנצל את הרגישות הגבוהה במיוחד ל- pH המוצעת על ידי המבנה הכפול המוזר של OCMFET באמצעות פונקציונליזציה פיזית פשוטה21 כדי לפקח באופן אמין על וריאציות ה- pH המקומיות הקלות הנגרמות על ידי פעילות מטבולית תאית.
ב- in vitro cell biosensing, ניטור הפעילות המטבולית התאית הוא אינדיקטור רב עוצמה למצב התרבות וניתן להשתמש בו כדי להעריך את התגובה התאית לגירויים שונים, כגון מתן תרופות וגירוי חשמלי22,23. יתר על כן, במקרה הספציפי של יישומים עצביים, ניטור הן את הפעילות החשמלית והן את הפעילות המטבולית הוא עניין רב, במיוחד בפרמקולוגיה וטוקסיקולוגיה24. מתוך כוונה לטפל בנוחות בדרישות האלקטרופיזיולוגיה המודרנית במבחנה ובמקביל להציע את כל היתרונות של OCMFET, הוכנס לאחרונה התקן בשם מערך Micro OCMFET (MOA). MOA הוא מערך מבוסס OCMFET עם אזורי חישה מיוחדים שתוכננו במיוחד עבור התממשקות הסלולר במבחנה, המאפשר ניתוח רב-פרמטרי של תרביות תאים אלקטרוגניים. בפרט, שני ערוצי MOA יש אזורי חישה גדולים יותר כדי למקסם את הרגישות שלהם והוא יכול להיות פונקציונלי באופן סלקטיבי כדי לפקח על פרמטרים ספציפיים של עניין, כגון וריאציות pH של מדיום התרבות. OCMFETs האחרים במבנה לפעול כמו חיישני פעילות חשמלית חוץ תאית. איור 1 מציג את המבנה של MOA 16 ערוצים. יכולת זו, בשילוב עם היעדר אלקטרודה התייחסות חיצונית, הופך את MOA כלי מעניין מאוד עבור יישומי מביה חוץ. עבודה זו מציגה את פרוטוקול הייצור שלב אחר שלב של MOA רב-רגישות לגילוי במבחנה של הפעילויות החשמליות והמטבוליות של נוירונים וקרדיומיוציטים. איור 2 מציג את שלבי הייצור העיקריים, החומרים המשמשים ואת מבנה המכשיר.
שלא כמו שיטות קודמות לייצור OCMFETs עבור יישומים סלולריים18,29, השיטה המוצעת נועדה במיוחד להכין MOAs שיכול לזהות בו זמנית פעילות תאית חשמלית ומטבולית. יתר על כן, גישה זו להשגת רגישות pH יש את היתרון של להיות תואם עם פרוטוקולי ייצור סטנדרטיים ואינו כרוך כל שינוי כימי של אזור חישה (היבט זה מבטיח את תאימות ביולוגית של המכשיר כולו). רגישות ה- pH מושגת באמצעות אותו חומר המשמש כדיאלקטרי שער (כלומר, פארילן C התצייתי ביולוגית), מה שהופך גישה זו למהירה ו ניתנת לשחזור.
התוצאה הסופית של גישה זו היא כלי אורגני גמיש, שקוף, בעלות נמוכה ורב-חישה עבור יישומים סלולריים במבחנה . העובדה כי זה ניתן להשיג באמצעות מבנה טרנזיסטור יחיד ושינוי פיזי פשוט של אזור חישה מוסיף את היתרונות המוצעים על ידי שימוש בחומרים אלקטרוניים אורגניים ושיטות. יתר על כן, מכיוון שעקרון התמרה של OCMFET אינו תלוי אך ורק במוליך למחצה או בחומר FG הספציפי, ניתן לשנות את כל התהליך ולהדרג בהתאם ליישום הספציפי.
היבט קריטי של הטכניקה המוצעת קשור לשחזור של טכניקת הפעלת הפלזמה. כדי להשיג תוצאות עקביות, הן עובי פארילן C וקצב החריטה שלה חייב להיות נשלט. כיול תכוף של תהליך התצהיר של פארילן C ומנקה הפלזמה נחוצים לחלוטין. היבטים קריטיים נוספים, אשר תורמים גם לשחזור של התהליך, הם טיפול זהיר של המכשיר ואת התצהיר של המוליך למחצה האורגני. טכניקת יציקת טיפה פשוטה שימשה כאן, אשר באופן מהותי מציב מגבלות רבייה. כדי למזער בעיות אלה, כמתואר בשלב פרוטוקול 10.1, יש להשתמש באותה כמות של פתרון מוליכים למחצה בכל פעם, ויש לתקנן את אידוי הממס ככל האפשר. שמירה על טמפרטורה קבועה באמצעות צלחת חמה וכיסוי המצע לאחר כל תצהיר טיפה יעזור להאט את תהליך האידוי. כדי למזער עוד יותר בעיה זו, ניתן להחליף את טכניקת התצהיר (למשל, בשיטת הדפסת הזרקת דיו).
מגבלה של הפרוטוקול המוצע נובעת מאופי הפונקציונליזציה של OCMFET עבור חישת pH. היציבות של חיישני ה- pH מוגבלת למספר שבועות26. עם זאת, חלון היציבות של הגישה המוצעת גדול מספיק כדי לכסות את זמני הדגירה הסטנדרטיים הדרושים לצמיחת התרבות העצבית (2-3 שבועות). סוגים אחרים של פונקציונליזציה של אזור חישה יש לשקול עבור ניסויים ארוכים יותר. פרוטוקול הייצור משתמש במגע אחורי ייעודי, המאפשר גישה חשמלית ל- FGs. מגע זה, אשר נשאר צף במהלך הפעולה הרגילה של המכשיר, ניתן לנצל את האפיון החשמלי של המכשיר ואת הפונקציונליזציה של אזורי החישה באמצעות טכניקות שונות (למשל, אלקטרודות).
הליך זה מהווה דרך נוחה להכין מכשיר רב-חישה ליישומים סלולריים ללא צורך בחומרים נרחבים או במתקני חדר נקי. למרות מגבלות הביצועים והיציבות עקב העסקת מוליך למחצה אורגני ופונקציונליזציה פיזית (לא כימית) של אזור החישה, ניתן להשתמש בגישות דומות להכנת חיישנים וביוסנסורים בעלי עלות נמוכה (ופוטנציאלי חד פעמי), גמישים מבחינה מכנית ושקופים אופטית, שיכולים לספק לחוקרים בביולוגיה תאית, הנדסת רקמות ומדעי המוח כלים חדשניים מיוחדים לחקר מערכות תאיות במבחנה.
The authors have nothing to disclose.
המחברים מכירים במימון מתוכנית המחקר והחדשנות Horizon 2020 של האיחוד האירופי במסגרת הסכם מענק מס ‘ 882897-חיפוש והצלה ופרויקט PON “TEX-STYLE” ARS01_00996, PNR 2015-2020.
3-(Trimethoxysilyl)propyl methacrylate | Sigma Aldrich | 440159 | |
3D printer Makerbot Replicator 2x | Makerbot | https://www.makerbot.gr/. Estimated price: 2k-3k euros. | |
ABS filament | |||
Anisole | Sigma Aldrich | 296295 | |
Bromograph model Hellas | Bungard | https://www.bungard.de/. Estimated price: 1k-2k euros. | |
Gold | Local seller | ||
Hydrofluoric acid | Sigma Aldrich | 695068 | |
Iodine | Sigma Aldrich | 207772 | |
Kapton tape | polyimide insulation tape | ||
Laser cutter VLS2.30 | Universal Laser Systems | https://www.ulsinc.com/it. Estimated price: 20k euros. | |
Multichannel Systems acquisition board | www.multichannelsystems.com | ||
NaOH pellets | Sigma Aldrich | 567530 | |
Parylene C dimer | SCS special coating systems coating | ||
PDMS Silgard 184 | Sigma Aldrich | 761036 | |
PDS 2010 LABCOATER 2 Parylene Deposition System | SCS special coating systems | https://scscoatings.com/. Estimated price: 50k euros | |
PET film biaxially oriented (thickness 0.25 mm) | Goodfellow | ES301450 | |
Petri dishes | |||
Plasma cleaner Gambetti "Tucano" | Gambetti | https://www.gambetti.it/. Estimated price: 20k euros. | |
Positive photoresist AZ1518 | MicroChemicals | ||
Potassium iodide KI | Sigma Aldrich | 221945 | |
Source Meter 2636 | Keithley | https://it.farnell.com/. Estimated price: 18k euros | |
Spin coater unit | Ossila | https://www.ossila.com/. Estimated price: 2.5k euros. | |
Stereoscopic microscope SMZ745T | Nikon | https://www.microscope.healthcare.nikon. com/. Estimated price: 2k-3k euros. |
|
Thermal evaporator unit | |||
TIPS pentacene (6,13-Bis(triisopropylsilylethynyl)-pentacene) | Sigma Aldrich | 716006 | |
Titanium wire | Goodfellow | TI005129 | |
Ultrasonic bath | Falc Instruments | https://www.falcinstruments.it/. Estimated price: 1k euro. |