体外 通过微有机电荷调制场效应晶体管阵列进行多参数蜂窝分析

体内监测电活性细胞，如神经元和心肌细胞，代表了人脑基础研究应用，功能连接研究，药理学和毒理学的有效而强大的方法。通常用于此类研究的工具主要基于微电极阵列（MEA）^1，2，^3，4，5以及越来越高效和更强大的场效应器件（FED）^{6，7，8，9，10，11，12}.这两个系列设备允许实时监测和刺激神经元和心肌细胞的电活动，并且通常具有坚固性，易用性和可靠性。这些特性使MEA和FED成为电生理学应用的黄金标准，目前用于与标准细胞培养物，器官型脑切片和三维类器官接口^{13，14，15，16}。尽管MEA和FED被广泛使用并且具有令人印象深刻的功能，但它们存在一些局限性，例如成本高，材料的刚性以及通常笨重的参比电极的存在，该参比电极必须放置在测量液体环境中，并且是设备正常运行所必需的。

为了探索蜂窝接口的替代解决方案，在过去十年中投入了大量精力来研究基于有机材料和创新制造技术的电子设备¹⁷。在为解决上述局限性而研究的几种有机器件中，最近提出了一种称为OCMFET的特殊有机晶体管，作为MEA和^FEDs18的有效替代品。除了有机电子技术提供的标准功能，如低成本材料和制造技术、最佳的机械和化学性能、光学透明度和生物相容性外，OCMFET还具有超高的电荷灵敏度（由于其双门控结构），而无需外部参比电极。此外，该有机传感器具有感测不同分析物/物理参数的卓越能力，具体取决于其感测区域的特定功能化，该感测区域与晶体管区域分离^19，20。所有这些特征都可以方便地用于获取细胞培养物中的不同参数。特别是，除了能够检测神经元/心脏电活动外，还可以通过使用简单的物理功能化²¹ 来可靠地监测由细胞代谢活动引起的轻微局部pH变化，从而利用OCMFET的特殊双门控结构提供的超高pH灵敏度。

在体外细胞生物传感中，监测细胞代谢活性是培养状态的有力指标，可用于评估细胞对各种刺激的反应，例如药物施用和电刺激^22，23。此外，在神经应用的特定情况下，监测电和代谢活动都非常有趣，特别是在药理学和毒理学²⁴中。为了方便地满足现代体外电生理学的要求，同时提供OCMFET的所有优点，最近推出了一种称为Micro OCMFET Array（MOA）的设备。MOA是一种基于OCMFET的阵列，具有专门设计用于体外细胞接口的专用传感区域，可实现电原细胞培养物的多参数分析。特别是，两个MOA通道具有更大的传感区域，以最大限度地提高其灵敏度，并且可以选择性地功能化以监测感兴趣的特定参数，例如培养基的pH变化。结构中的其他OCMFET充当细胞外电活动传感器。图 1 显示了 16 通道 MOA 的结构。这种能力，加上没有外部参比电极，使MOA成为体外应用中非常有趣的工具。这项工作提出了多传感器MOA的逐步制造方案，用于体外检测神经元和心肌细胞的电和代谢活动。图2显示了主要的制造步骤，使用的材料和器件结构。

遵循所有适用的国际、国家和/或机构关于动物护理和使用的准则。我们尽一切努力减少该项目的动物数量，并尽量减少它们的痛苦。

1. 显影液、蚀刻液、有机半导体溶液、光刻掩模的制备

1. 通过将NaOH颗粒稀释在浓度为175mM的去离子水中来制备显影溶液。
   注意:这是一种放热反应。如果使用塑料容器，请继续搅拌容器，直到所有颗粒完全溶解。
2. 通过将氢氟酸（HF）稀释在去离子水（1份浓缩的48%HF，49份去离子水）中制备钛蚀刻液。
   注意:氢氟酸很容易穿透皮肤，对深层组织层造成严重损害。快速中和HF对于防止组织破坏是必要的，组织破坏可能持续数天并导致严重伤害甚至死亡。与HF相关的风险取决于浓度和与酸接触的持续时间。只能在通风橱下使用面罩。也强烈建议使用双层手套。
3. 通过混合碘，碘化钾和去离子水（对于250g溶液，使用200mL去离子水，20gKI，_5gI2）来制备金蚀刻溶液。在室温下搅拌溶液1小时，并在使用前静置过夜。
4. 通过将6，13-双（三异丙基硅基炔基）戊二烯（TIPS五苯）溶解在苯甲醚（重量为1%）中并在80°C的热板上轻轻搅拌2小时来制备半导体溶液。
   注意:继续搅拌此解决方案。使用琥珀色玻璃小瓶和/或将其存放在低光照条件下。
5. 使用矢量图形软件准备所需的光刻蒙版集。为整个过程准备5个面具:用于浮动门（FGs）图案的面具;用于打开通孔的面罩和用于电生理记录的传感区域;用于自对准过程的掩模;用于源极、漏极和控制门顶部触点图案化的面罩;和用于pH通道的血浆活化掩模。
   注意:根据必要的分辨率和特定的光刻设置，可以使用不同类型的掩模。对于拟议的设备（最大横向分辨率为40μm），已在当地的复印店购买了简单的塑料柔性口罩。

2. 基材的选择和准备

1. 从原始的PET片上切下6 x ^{6 cm2} 的250μm聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。
   注意:从比最终设备稍大的基板开始，以具有足够宽的裕量，以便使用标准实验室镊子进行操作而不会损坏它。
2. 用光学显微镜检查基板，以排除是否存在深槽和划痕。仔细选择划伤较少的基板，因为较大的缺陷可能导致最终设备失效。
3. 用丙酮、异丙醇和去离子水（按此顺序）冲洗PET基材，并使用氮气流干燥。将基材存放在干净的塑料培养皿/容器中。

3. FG:钛沉积

1. 用等离子氧（100 W 时 30 秒）预清洁基板，并将其放在热蒸发器真空室内的基板支架上。
2. 将60毫克钛放入坩埚中，关闭百叶窗，然后向下泵送蒸发室，直到其达到低于^10-6 Torr的真空度。增加蒸发器的功率，直到坩埚发出红色，等待30秒。打开快门，将功率增加到60%（或直到坩埚发出明亮的白色），然后等待60秒。关闭快门并调低电源。
3. 从蒸发器中取出基材;用丙酮，异丙醇和去离子水清洁它们;并使用氮气流干燥它们。进行第二次氧等离子体处理（在200 W下60秒）以稍微氧化钛表面。

4. FG图案化

1. 一次将一个基材放在通风橱内的旋转涂布机上。使用一次性塑料移液管将4 mL光刻胶沉积在基板上。使用以下旋涂参数得到2μm厚的光刻胶层:旋速:3000转/分;旋转时间: 45 s;加速时间: 0.5 秒;减速时间:0.5秒
2. 通过将基材放在热板上（70°C 5分钟）软烤光刻胶。将基材存放在铝箔包裹的培养皿/塑料容器内，以避免直接暴露在光线下。
   注意:避免建议的烘烤温度（100°C持续50秒），以防止基材变形。但是，在较低温度下烘烤较长时间可确保获得良好的效果。
3. 将器件置于溴相片中，并将具有所需FG布局的塑料光刻掩模放置在基板上。从顶部暴露在紫外线（UV）下1分钟，并小心取下面罩，注意尽量减少面罩在基材上的横向移动，以避免划伤它。
4. 将基板浸入装有显影溶液的玻璃容器中5秒（步骤1.1）。在去离子水中快速冲洗，并在氮气下干燥。使用光学显微镜寻找基质中不发达/过度发达的斑点。在发育不足的情况下，重复将底物浸入显影溶液中。
5. 将暴露的钛浸没在钛蚀刻液（步骤1.2）中蚀刻15秒，用去离子水冲洗，然后用氮气干燥。光学检查基板并使用丙酮取出光刻胶。用异丙醇和去离子水冲洗基质，并用氮气干燥。

5. 栅极介质沉积

1. 使用实验室擦拭布将2mL粘合促进剂（硅烷 - 3-（三甲氧基硅基）甲基丙烯酸丙酯）分布在沉积室壁上，以制备Parylene包衣机的沉积室。将300mg聚对二甲苯C二聚体（相当于150nm的最终厚度）置于聚对二甲苯包衣机上。将较低的压力值设置为 7 毫巴，将较高的压力值设置为 10 毫巴。沉积后，用丙酮，异丙醇和去离子水清洁基材，并用氮气干燥。

6. 打开OCMFET的传感区域，用于电活动记录和形成通孔以进入FG的背面

1. 使用步骤4.1和4.2的相同参数将光刻胶沉积在基板上。
2. 将设备置于测绘仪中，并将塑料光刻掩模放置在立体显微镜下的通孔（传感区域直径为50μm的圆形开口和远离传感区域的FG上的100 x 100 ^μm2 开口（ 图1 和 图2中称为FG的背接触））的基板上，以提高对准精度。从顶部暴露在紫外线下1分钟，并小心取下面罩，注意尽量减少面罩在基材上的横向移动，以避免划伤它。
   注:在晶体管检定期间，远离检测区域的FG侧面的通孔（如图 1 和 图2中FGs的背接触）是接触所必需的。此外，对FG进行电气访问对于不同类型的功能化（例如，电沉积）可能非常有用。
3. 如前所述在步骤4.4中开发光刻胶。将带有图案化光刻胶（此处用作掩模）的基板暴露于氧等离子体（200 W时为180 s），以从传感区域中除去Parylene C。
   注:聚对二甲苯C在200 W的各向同性等离子体清洗剂中的蚀刻速率约为90 nm/min。进行轻微的过度蚀刻以进一步清洁传感区域。光刻胶也在此过程中被蚀刻。然而，其厚度（2μm）远高于Parylene C的厚度。
4. 将基板放入超声波浴内装满丙酮的玻璃容器中10秒，以完全去除光刻胶。用丙酮、异丙醇和水冲洗底物，并用氮气干燥。
   注意:使用超声处理而不是简单地用丙酮冲洗底物对于防止Parylene C碎片的意外折叠和重新沉积到传感区域的表面上至关重要。

7. 源极和漏极与 FG 自对准

1. 使用步骤4.1和4.2的相同参数将光刻胶沉积在基板上。将器件置于溴相片中，并将塑料光刻掩模放置在基板上，该掩模带有简单的黑色矩形，可完全覆盖晶体管区域。从顶部和底部暴露在紫外线下1分钟，并小心取下面罩，注意尽量减少面罩在基材上的横向移动，以避免划伤它。
   注:在双面曝光时，FG相对于底部曝光起到了光刻掩模的作用，而顶部掩模的存在确保了只有晶体管通道上存在的光刻胶保持未曝光状态。
2. 如前所述在步骤4.4中开发光刻胶。

8. 金沉积、通道形成以及源、排水管和控制门的图案化

1. 用温和的等离子体处理（在30 W下30秒）清洁基板，以促进金属在Parylene C上的附着力，并将其放置在热蒸发器真空室内的基板支架上。
2. 将30毫克金放入坩埚中，关闭百叶窗，然后向下泵送蒸发室，直到达到^10-5 托。增加蒸发器的功率，直到坩埚发出红色，等待30秒。打开快门，将功率增加到40%（或直到坩埚发出明亮的白色），等待60秒，关闭快门，然后调低功率。
3. 将基板放入超声波浴内的丙酮容器中10秒以从光刻胶上取下，从而从晶体管通道中除去金。用丙酮、异丙醇和水冲洗底物，并用氮气干燥。使用步骤4.1和4.2的相同参数将光刻胶沉积在基板上。
4. 将器件置于溴相片中，并将具有所需光源、漏极和控制门布局的塑料光刻掩模放置在基板上。从顶部暴露在紫外线下1分钟，并小心取下面罩，注意尽量减少面罩在基材上的横向移动，以避免划伤它。
5. 按照步骤4.4中所述开发光刻胶。通过将暴露的金浸入金蚀刻溶液（步骤1.3）中10秒来蚀刻暴露的金，用去离子水冲洗，然后用氮气将其干燥。光学检查基板并使用丙酮取出光刻胶。用异丙醇和去离子水冲洗，并用氮气擦干。

9. 聚对二甲苯C的沉积和活化，用于pH传感

1. 使用步骤4.1和4.2的相同参数将光刻胶沉积在基板上。
2. 将设备置于溴相片中，并将塑料光刻掩模放置在基板上，其开口对应于OCMFET的pH传感区域。从顶部暴露在紫外线下1分钟，并小心取下面罩，注意尽量减少面罩在基材上的横向移动，以避免划伤它。
3. 按照步骤4.4中所述开发光刻胶。使用聚酰亚胺绝缘胶带保护整个设备，除了pH传感区域（见 材料表）。使用步骤5.1中描述的相同参数在底板上沉积一层500nm的Parylene C（相当于1g的Parylene C二聚体）。
   注:pH检测区域上的总聚对二甲苯C厚度为650 nm。这种沉积不需要硅烷。
4. 小心取下聚酰亚胺绝缘胶带。将底物暴露于氧等离子体中（在200 W下5分钟和30秒），以激活OCMFET的pH传感区域上的Parylene C。
   注:聚酰亚胺绝缘胶带是限制聚对二甲苯C沉积所必需的。事实上，使用光刻胶进行简单的剥离并不能给出积极的结果，因为用Parylene C获得的保形涂层几乎无针孔。
5. 将基材放入超声波浴内的丙酮容器中10秒，以完全除去光刻胶。用丙酮和异丙醇（无水）冲洗底物，并用氮气干燥。

10. 半导体沉积、培养室放置以及设备与 PET 的最终切口

1. 将基板置于50°C的热板上。 将半导体溶液液滴（步骤1.4）投射到每个通道区域，用盖子覆盖整个基板，并在化学罩下干燥30分钟。
2. 通过使用3D打印机打印内半径为15 mm，厚度为1 mm，高度为7 mm的丙烯腈丁二烯苯乙烯环来准备培养室。使用聚二甲基硅氧烷将培养室粘合到基材的中心部分（固化剂的比例:15重量%）。手动或使用激光切割机从PET中取出设备。

11. 晶体管的电气特性

1. 使用源仪表表征每个晶体管^{18，19，20，21} （见 材料表）。
   注:应测量输出和输入特性，以推断晶体管的参数（主要是载流子的迁移率、阈值电压、_ION/_IOFF 比和亚阈值斜率）。

MOA的潜力已经在这里得到验证，用于电活动记录和代谢活动监测。对该装置检测细胞外动作电位的能力的精确估计基于对大鼠心肌细胞培养物（特别是在 体外 8天测量的原代大鼠心肌细胞[DIV]）的彻底表征18。 图3A 显示了具有16个OCMFET的完整MOA。顶部插图显示了融合大鼠心肌细胞培养物附着在MOA表面的示例。为了突出他们的健康，在记录会议后，细胞已经对肌节蛋白（对肌肌球蛋白）进行了免疫染色。底部插图显示了用OCMFET测量的单个心肌细胞信号。

有趣的是，该装置可以检测自发电活动和施用不同化学品时引起的活动，如图 3B所示。该验证对于证明将这种方法用于电致电池接口的可行性至关重要。由于阵列配置，MOA还允许重建心脏信号的传播速度，从而证明了该系统对蜂窝网络研究的适用性（图3C）。为了进一步验证以确定设备的实际检测限，MOA还用纹状体神经元（21 DIV）18进行了测试，在信号幅度和记录的可靠性方面取得了有趣的结果。如图 3D所示，OCMFET可以以显着的稳定性放大神经元场电位，显示出高达3.2的信噪比（SNRS）（与使用标准MEAs获得的SNR25的范围内相同）。记录设置包括用于晶体管偏置以及信号读出和调理的定制多通道电子元件。每个用于电气记录的通道都有一个第一级，由一个带1 MΩ反馈电阻的I/V转换器和一个电压增益为110的150 Hz-1.3 kHz带通滤波器组成。对于所有提出的测量结果，晶体管的偏置电压为VDS = VGS = -1 V。A / D转换以及数据可视化和存储使用数据采集板执行（参见 材料表）。所有测量过程都在法拉第笼内进行，以最大限度地减少系统上的电气和环境噪声。

如前所述，通过利用协议中提供的简单物理功能化，可以制备具有超能响应的高灵敏度pH传感器。由于所提出的制造方法，这些pH设备可以集成到MOA中，并用于监测由原代海马大鼠神经元的代谢活动诱导的轻微pH变化26。特别是，如图 4所示，专用于低频检测的两个OCMFET中只有一个被选择性地功能化，以证明该方法的可行性。这种选择性功能化允许评估两种OCMFET对化学诱导的代谢变异的反应:特别是，可以使用GABA A受体抑制剂bicuculline（BIC）获得高代谢状态27，而低代谢状态可以通过添加河豚毒素（TTX）来诱导，最终导致细胞死亡28.记录设置由用于电子活动测量的相同自定义多通道电子设备组成。

与前一种情况不同，使用两个专用通道来记录由细胞代谢活动诱导的缓慢变化。每个通道由一个简单的电路组成，该电路由两个主要模块组成:一个带1 MΩ反馈电阻的I/V转换器和一个截止频率为10 Hz的低通滤波器。晶体管偏置VDS = VGS = -1 V，所有测量均在法拉第笼内进行，以尽量减少外部噪声对记录的影响（考虑到细胞代谢活动引起的低电流波动，这是一个特别重要的方面）。在实验过程中，将培养物保持在低缓冲培养基中，并将整个系统置于受控环境（37°C和连续的CO2 /空气通量）中。正如预期的那样，只有pH敏感OCMFET的电流可以通过添加25 μM BIC来调制。这通过细胞代谢活性的相应变异诱导当前变异进一步证实了这一点。

在加入10μMTTX后重复相同的实验，这导致细胞代谢逐渐减慢。添加TTX后，pH敏感的OCMFET和不敏感的OCMFET均未显示任何反应，从而证明了该方法的有效性。这些结果表明了所提出的功能化的有效性及其在长达2周的相对稳定性。从所提出的实验（电活动和代谢活动）中可以得出的一个重要结论是，通过选择性地功能化同一培养区域内的不同OCMFET来制备不同类型的传感器是可能的。这一方面代表了细胞应用生物传感的一项重要成就，因为能够监测同一细胞培养物中的不同参数对于更好地表征这些生物系统的复杂性至关重要。

图 1:用于电活性细胞代谢和电监测的 16 通道 MOA 的顶视图。 比例尺 = 1 厘米。缩写:OCMFET =有机电荷调制场效应晶体管;FG = 浮动栅极;S/D = 源极/漏极;MOA = 微 OCMFET 阵列。 请点击此处查看此图的放大版本。

图2:用于电活性细胞代谢和电监测的MOA的主要制造步骤。 （A和B）蒸发的Ti薄膜使用标准光刻工艺进行图案化，以制备OCMFET的浮栅。（C）15纳米聚对二甲苯C的沉积。该层与原生氧化钛一起充当晶体管的栅极电介质。（D和E）聚对二甲苯C层使用等离子氧处理进行图案化。图案化光刻胶层用于有选择地暴露电气记录和浮动栅极背面触点的传感区域。（F）金顶触点的图案化，即源极、漏极、控制栅极和浮栅背触点。自对准技术用于提高设备的电气性能。（G-I）在OCMFET的传感区域沉积第二层Parylene C，用于代谢活性监测。氧等离子体暴露后，该层将充当pH敏感膜（J）。（K）整个MOA的横截面（带材料）的有机半导体（TIPS五苯）沉积后和培养室定位。缩写:OCMFET =有机电荷调制场效应晶体管;FG = 浮动栅极;S/D = 源极/漏极;MOA = 微 OCMFET 阵列;CG = 控制门;PET = 聚对苯二甲酸乙二醇酯;Par C = Parylene C;TIPS = 6，13-双（三异丙基硅基炔基）五胁;ABS = 丙烯腈丁二烯苯乙烯。请点击此处查看此图的放大版本。

图3:具有MOA的细胞电活动记录（A）粘附在MOA表面的大鼠心肌细胞（8 DIV）的汇合培养物，在记录后固定并免疫染色为肉瘤蛋白，对肌肌球蛋白（上部插图）。底嵌:使用 OCMFET 测量的单个心肌细胞信号的示例。比例尺= 150μm.（B）心肌细胞培养物电活性的化学调整。活性加速是由于添加100mM去甲肾上腺素引起的，而抑制是由于添加100mM维拉帕米引起的。左:跳频调制;右图:5 个 OCMFET 的统计数据-平均值和标准偏差:基底（129 ± 4.6）、去甲肾上腺素介导的（280 ± 28.6）和维拉帕米介导的活性（15 ± 1.9）的峰值计数。（C）重建心脏信号的传播。右图:培养物自发活动的栅格图，指示信号从站点 14 传播到站点 41（右）。（D）来自大鼠胚胎的纹状体细胞的作用电位（21 DIV）。这一数字已从18修改而来。缩写:OCMFET = 有机电荷调制场效应晶体管;MOA = 微 OCMFET 阵列;NE = 去甲肾上腺素;VER = 维拉帕米;DIV = 体外天数。请点击此处查看此图的放大版本。

图4:MOA的代谢活动记录。 MOA的（A）pH敏感和（B）pH不敏感通道对添加10μM TTX之前和之后添加25μM BIC的反应。添加TTX后，pH敏感通道的行为变得与pH不敏感通道的行为相似。特别是，由于TTX诱导的细胞死亡，在BIC添加后无法观察到电流变化。（C）用于代谢活动记录的MOA。pH 敏感型和 pH 型不敏感型 OCMFETs 分别以绿色和红色勾勒轮廓。插入:15 DIV后将健康的海马神经元培养到设备上。这一数字已从 26修正。缩写:OCMFET = 有机电荷调制场效应晶体管;MOA = 微 OCMFET 阵列;BIC = 双库林;TTX = 河豚毒素;DIV = 体外天数。 请点击此处查看此图的放大版本。

作者没有利益冲突要声明。