Name: 生物电子界面衔接与Biofabrication (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-06-06T13:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 38 s
Description: 学习利用电沉积技术制备生物相容性多糖薄膜，并通过功能化整合蛋白质与细胞，用于芯片实验室等生物医学界面应用。该方法操作简便，可在近生理条件下实现生物自组装。

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我们感谢DTRA对本文稿的资助，以及ONR、DTRA和NSF对相关基础研究的部分支持。

1. 海藻酸盐电沉积
<ol>
 <li>使用鳄鱼夹通过跳线将电源连接到定制的电极上。覆盖有氧化铟锡（ITO）的玻璃片作为阳极（工作电极），铂箔作为阴极（对电极）。放置电极时，使待功能化的ITO表面正对对电极，并将电极垂直浸入溶液中，或水平放置以便将沉积溶液保留在表面。</li>
 <li>通过将1%的海藻酸钠和0.5%的CaCO3（质量分数）溶于蒸馏水中，随后进行高压灭菌，制备海藻酸钠沉积溶液。建议在不使用时持续搅拌该溶液。</li>
 <li>将两个电极浸入沉积溶液中。所用海藻酸钠可按照Cheng et al. 14 的方法，用FluoroSpheres（Invitrogen）进行荧光标记，以便对所得薄膜进行荧光成像。</li>
 <li>施加恒定电流密度（3 A/m2）持续2分钟；电压将在2–3 V范围内变化。</li>
 <li>断开电极连接并移除未沉积的溶液。用NaCl（0.145 M）轻轻冲洗薄膜，以去除多余的海藻酸钠。</li>
 <li>将薄膜短暂孵育（约1分钟）于CaCl2（0.1 M）溶液中以增强凝胶强度。用NaCl（0.145 M）冲洗后，再在添加了CaCl2（1 mM）的目标溶液中孵育。</li>
 <li>使用荧光显微镜成像（图1B）。</li>
</ol>
2. 在海藻酸盐中共同包埋具有通讯功能的细胞群体
<ol>
 <li>将信号发送细胞培养物（W3110 wt E. coli）在LB培养基中培养，以及将信号接收细胞培养物（MDAI2 + pCT6-lsrR-ampr + pET-dsRed-kanr）在含50 μg/mL卡那霉素和氨苄青霉素的LB培养基中培养，均需过夜培养后重新接种，使其生长至光密度（600 nm处）为1。使用前用LB培养基将接收细胞培养物的光密度调整至0.4–0.6。</li>
 <li>制备含2%海藻酸钠和1% CaCO3的沉积溶液，并以1:1比例分别与每种细胞培养物混合，最终浓度为1%海藻酸钠、0.5% CaCO3，细胞稀释至约半倍培养密度。</li>
 <li>使用经图案化处理的载玻片，其上包含由聚二甲基硅氧烷（PDMS）小室（按Sylgard说明书制备并裁剪至所需尺寸）限定的两个ITO电极，并配备铂对电极。将其中一个ITO电极按程序1（海藻酸盐电沉积）所述连接至电源，铂电极作为对电极。</li>
 <li>将电极浸入含有接收细胞的沉积溶液中。将电源设置为恒定电流，电流密度为3 A/m2，其中表面积由将发生沉积的单个电极定义。</li>
 <li>通电2分钟，使细胞在海藻酸盐基质中共沉积。</li>
 <li>按步骤1.5所述方法清洗薄膜。</li>
 <li>将阳极连接切换至第二个相邻的ITO电极。</li>
 <li>重复沉积程序（步骤2.4–2.7），但此次引入含有发送细胞的溶液。</li>
 <li>将含有共沉积细胞和钙-海藻酸盐的双电极芯片在添加10% LB培养基和1 mM CaCl2的磷酸盐缓冲液（PBS）中，于37 °C孵育过夜。</li>
 <li>孵育后，使用荧光显微镜成像（图2B）。</li>
</ol>
3. 壳聚糖电沉积
<ol>
 <li>使用鳄鱼夹将电源连接至电极。镀金的硅芯片作为阴极（工作电极），铂箔作为阳极（对电极）。将金电极表面与对电极相对放置，两者可垂直浸入溶液中，或水平放置以便将沉积溶液保留在表面。</li>
 <li>通过将壳聚糖碎片加入水中，并缓慢滴加 2 M HCl 以溶解多糖（最终 pH 为 5.6），制备壳聚糖溶液，需确保遵循 Meyer et al. 15 所述的步骤。</li>
 <li>将电极插入壳聚糖溶液（0.8%）中，完全浸没待沉积区域。所用壳聚糖可按照 Wu et al. 8 的方法，用 5-(和-6)-羧基罗丹明 6G 琥珀酰亚胺酯（Invitrogen）进行荧光标记，以便通过荧光显微镜观察电沉积薄膜。</li>
 <li>施加恒定电流密度（4 A/m2）持续 2 分钟。电压将在 2–3 V 范围内变化。根据工作电极暴露于沉积溶液中的金表面面积，计算电流密度。</li>
 <li>用去离子水冲洗电极以去除多余的壳聚糖。芯片可保存在水中或 PBS（10 mM，pH 7.0）中。</li>
 <li>使用荧光显微镜成像（图 3C）。</li>
</ol>
4. 采用功能化壳聚糖薄膜的电化学转导
<ol>
 <li>根据程序3（壳聚糖电沉积），在电流密度为4 A/m2的条件下，从溶液（1%壳聚糖，680 U/mL葡萄糖氧化酶，pH 5.6）中共同沉积壳聚糖和葡萄糖氧化酶（GOx）到图案化电极上，形成包裹GOx的壳聚糖薄膜。</li>
 <li>将处理后的电极连接至三电极系统，作为工作电极，以铂丝作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，如图4A所示。</li>
 <li>将电极浸入含有NaCl（0.1 M）的磷酸盐缓冲液（0.1 M，pH 7.0）中。</li>
 <li>采用计时安培法10，施加恒定电压（0.9 V）60秒，将蛋白质电化学共轭至壳聚糖薄膜上。</li>
 <li>将芯片置于磷酸盐缓冲液（0.1 M，pH 7.0）中，在摇床上清洗10分钟，以去除未反应的NaCl和未共轭的GOx。</li>
 <li>按照步骤4.2所述重新连接至三电极系统，并浸入5 mM葡萄糖溶液中。采用循环伏安法，将电位正向扫描至0.7 V。以不含葡萄糖氧化酶的对照膜作为比较，评估扫描过程中观察到的氧化电流水平（图4B）。</li>
 <li>将电极从葡萄糖溶液中取出，用磷酸盐缓冲液（0.1 M，pH 7.0）冲洗，然后将电极放入含有8 mL磷酸盐缓冲液（0.1 M，pH 7.0）的10 mL烧杯中。将GOx功能化的芯片偏置至0.6 V，作为工作电极（图4C）。</li>
 <li>向缓冲液中逐次加入葡萄糖溶液（每次加入使葡萄糖浓度增加4 mM）。</li>
 <li>绘制GOx功能化壳聚糖薄膜的稳态电流与葡萄糖浓度之间的标准曲线。</li>
</ol>
5. 利用酶促组装进行蛋白质功能化
<ol>
 <li>使用带有相邻金电极和ITO电极的玻璃载玻片，电极包含在PDMS微井内。对金电极施加阴极电位，以电沉积壳聚糖，方法如前所述。用移液枪依次以去离子水和PBS短暂冲洗薄膜。</li>
 <li>加入含有3 μM蓝色荧光标记的“AI-2合成酶”16（使用DyLight标记试剂盒）和100 U/mL酪氨酸酶的PBS溶液。</li>
 <li>室温孵育1小时，然后用PBS冲洗薄膜。</li>
 <li>对ITO电极施加阳极电位，共沉积含有受体细胞的海藻酸盐沉积溶液（按步骤2.1–2.2制备）。参照方案2中的步骤2.3–2.6（在海藻酸盐中共沉积细胞群体）。</li>
 <li>为通过酶促反应生成传递信号（AI-2），在冲洗薄膜后，加入含500 μM S-腺苷高半胱氨酸（SAH）的PBS溶液，并补充10% LB培养基和1 mM CaCl2。覆盖电极以防止溶液蒸发，并在37 °C下孵育过夜。此过程将诱导受体细胞表达红色荧光蛋白（dsRed）以产生响应。</li>
 <li>通过调节荧光显微镜的滤光片，可对相邻电极进行成像，以同时捕获AI-2合成酶的蓝色荧光以及共沉积受体细胞表达的红色荧光（图5B）。</li>
</ol>
6. 代表性结果
施加的电信号可在电极表面附近产生局部微环境（例如电场和梯度），这些刺激可触发海藻酸盐和壳聚糖等多糖的自组装，从而在电极表面沉积形成水凝胶薄膜。由于该溶胶-凝胶转变发生在电极表面，所形成的薄膜具有电寻址性，其几何形状与电极图案相对应（图1B、3C）。海藻酸盐和壳聚糖等生物相容性薄膜可提供可功能化修饰生物组分的表面。利用海藻酸盐，已实现将不同的细胞群体共沉积于不同的寻址位置。当信号发送细胞群体与接收细胞群体相互作用时，可观察到其电寻址性的证据。信号分子自诱导物-2（AI-2）从发送细胞扩散并被接收细胞摄取，从而诱导红色荧光蛋白dsRed的表达（图2A）。在图2B中，仅在接收细胞被寻址的电极位置观察到红色荧光。
壳聚糖上的氨基赋予其电沉积所需的pH响应性，以及适合功能化的表面。我们利用这些独特性质，通过电化学方法将生物传感酶葡萄糖氧化酶（GOx）共价偶联到电沉积的壳聚糖薄膜上。该酶随后可通过酶促反应实现对葡萄糖的检测（图 4A产生过氧化氢，后者可被电化学氧化从而产生输出电流。通过这种方式，化学信号可被转化为电信号。 图4B 表明含有电化学偶联GOx的膜在葡萄糖存在下产生强烈的阳极信号，而未含GOx的膜则无此信号。这些结果说明，GOx能够被组装到沉积的壳聚糖膜上，并保持其催化活性。此外， 图4C 显示了随着葡萄糖浓度升高而产生的阳极电流的阶跃式增加。标准曲线也同时呈现于 图 4C 表明，随着葡萄糖添加量的增加，信号呈近似线性增长。这些结果说明，该酶在与壳聚糖薄膜结合后，仍保持对葡萄糖浓度升高的敏感性。本研究未考察检测下限，因其在此系统中的相关特性已在Meyer的研究中得到表征。 等
我们还展示了以酶法控制的方式，将一种经改造后含有定制五酪氨酸标签的目标酶共价固定在壳聚糖上。具体而言，该过程由酪氨酸酶介导。如图5A（上）所示，AI-2合成酶包含一个五酪氨酸标签。酪氨酸酶作用于该酪氨酸标签，将其残基的酚基氧化为O-醌基团，后者进而与壳聚糖的胺基发生共价结合。在图5B中可观察到AI-2合成酶通过酪氨酸酶组装实现壳聚糖薄膜功能化的证据，其中AI-2合成酶被荧光标记为蓝色。由于AI-2合成酶能够像信号发送细胞一样，利用底物S-腺苷高半胱氨酸（SAH）生成AI-2，因此当其与共沉积的受体细胞在SAH存在下靠近时，也会诱导受体细胞表达dsRed而产生荧光响应（图5A（下））。受体细胞出现红色荧光（图5B）再次证明了由于AI-2从一个位点扩散至另一个位点，导致不同地址之间发生了相互作用，同时也进一步表明共价结合到壳聚糖上的酶仍能保持其活性。
<img alt="碳酸钙-海藻酸盐凝胶形成；反应方程式；实验示意图；离子扩散。" src="/files/ftp_upload/4231/4231fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 1"> 
图 1. 海藻酸盐电沉积。（A）海藻酸盐电沉积机制：当电极施加阳极偏压时，其表面发生水电解，产生局部低pH环境。碳酸钙颗粒与过剩的质子发生反应，随着颗粒溶解，释放出钙阳离子。在海藻酸盐聚合物链存在的情况下，这些离子在“蛋盒”结构中发生螯合，于电极表面形成交联水凝胶。随着与电极距离的增加，由于钙离子浓度降低，海藻酸盐更倾向于保持溶解状态。（B）采用L形图案化ITO电极进行海藻酸盐电沉积。将PDMS小室固定在电极上，用于容纳含绿色荧光标记的海藻酸盐（1%）和CaCO3（0.5%）的沉积溶液。在3 A/m2的电流密度下电沉积2分钟之后，通过荧光显微镜观察电寻址形成的海藻酸盐水凝胶。
<img alt="E. coli AI-2 communication on ITO electrodes diagram and fluorescence microscopy result." src="/files/ftp_upload/4231/4231fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 2"> 
图2. 细胞群体的共沉积。（A）展示两种细胞群体间相互作用的示意图 E. coli 菌株：一个群体产生自诱导分子-2（autoinducer-2, AI-2），即一种信号分子，被称为“AI-2 发送者”。另一个群体被称为“AI-2 接收者”，可报告 AI-2 的存在；当其通过扩散接收到发送者产生的 AI-2 后，会表达红色荧光蛋白 dsRed。（b）电极对的红色荧光图像，左侧电极上共沉积了 AI-2 发送者群体与海藻酸盐，右侧电极上共沉积了 AI-2 接收者群体与海藻酸盐。放大视图显示仅有 AI-2 接收者表达 dsRed。
<img alt="壳聚糖电沉积过程示意图，显示pH梯度及荧光分析装置。" src="/files/ftp_upload/4231/4231fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图3"> 
图3. 壳聚糖电沉积。（A）展示壳聚糖pH依赖性电沉积的示意图。在阴极极化的电极处发生水电解，导致局部pH升高（显微图像中靠近阴极的pH指示染料发生局部颜色变化所示），从而促进该区域壳聚糖的溶胶-凝胶转变。（B）壳聚糖分子上的氨基赋予其pH响应特性。当pH高于6.3（壳聚糖的pKa）时，氨基去质子化，促使壳聚糖从可溶性质子化形式转变为不溶性凝胶形式。（C）采用图案化金电极进行壳聚糖的电沉积。将电极与电源阴极相连后，浸入含绿色荧光标记壳聚糖（0.8%）的沉积溶液中。在电流密度为4 A/m2的条件下电沉积2分钟后，通过荧光显微镜观察电寻址的壳聚糖薄膜。
<img alt="酶法电化学葡萄糖检测；示意图、恒电位仪装置、反应方程式。" src="/files/ftp_upload/4231/4231fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 4"> 
图 4. 功能化壳聚糖薄膜的电化学转导。（A）三电极系统装置示意图。功能化壳聚糖薄膜作为工作电极，铂丝作为对电极，Ag/AgCl 作为参比电极。葡萄糖的电化学转导通过所示的酶促和电化学反应进行，其中生成的过氧化氢可在工作电极上被氧化并检测。（B）含有电化学偶联葡萄糖氧化酶（GOx）的壳聚糖薄膜电极在 5 mM 葡萄糖溶液中的循环伏安图（CV）显示出强烈的阳极信号。不含 GOx 的薄膜作为对照，在相同溶液中无信号产生。（C）阳极电流与葡萄糖浓度之间的标准曲线呈现出近线性关系（每次加入样品使葡萄糖浓度增加 4 mM，并在插图中以阶梯方式相应增加电流幅度）。
<img alt="酶促组装、AI-2合成酶示意图、共价键合、酶到细胞信号传导、显微镜。" src="/files/ftp_upload/4231/4231fig5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 5"> 
图 5. 利用酶促组装实现蛋白质功能化。（A，上图）示意图显示带有酪氨酸标签的“AI-2 合成酶”通过酪氨酸酶介导的组装共价连接到壳聚糖薄膜上。在酪氨酸酶作用下，酪氨酸残基被氧化为O-醌，可与壳聚糖薄膜上的氨基发生反应，形成共价键。（A，下图）AI-2 合成酶利用底物（SAH）生成 AI-2；受体细胞通过表达 dsRed 荧光报告所生成的 AI-2。（B）荧光图像显示金表面的壳聚糖薄膜被蓝色标记的 AI-2 合成酶功能化。相邻区域，AI-2 受体细胞与海藻酸钠共同沉积在 ITO 表面。向孔中加入酶底物并孵育后，AI-2 受体细胞表达 dsRed。

<ol><li>Luo, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+situ+generation+of+pH+gradients+in+microfluidic+devices+for+biofabrication+of+freestanding%2C+semi-permeable+chitosan+membranes%5BTitle%5D)+AND+%22Lab+Chip%22%5BJournal%5D)">In situ generation of pH gradients in microfluidic devices for biofabrication of freestanding, semi-permeable chitosan membranes.</a> Lab Chip. 10, 59-65 (2010).</li>
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<li>Dowling, M. B., Javvaji, V., Payne, G. F., Raghavan, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Vesicle+capture+on+patterned+surfaces+coated+with+amphiphilic+biopolymers%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Vesicle capture on patterned surfaces coated with amphiphilic biopolymers.</a> Soft Matter. 7, 1219-1226 (2011).</li>
<li>Liu, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biofabrication+to+build+the+biology-device+interface%5BTitle%5D)+AND+%22Biofabrication%22%5BJournal%5D)">Biofabrication to build the biology-device interface.</a> Biofabrication. 2, 022002-022002 (2010).</li>
<li>Yang, X., Shi, X. -W., Liu, Y., Bentley, W. E., Payne, G. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Orthogonal+Enzymatic+Reactions+for+the+Assembly+of+Proteins+at+Electrode+Addresses%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Orthogonal Enzymatic Reactions for the Assembly of Proteins at Electrode Addresses.</a> Langmuir. 25, 338-344 (2008).</li>
<li>Cheng, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+situ+quantitative+visualization+and+characterization+of+chitosan+electrodeposition+with+paired+sidewall+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">In situ quantitative visualization and characterization of chitosan electrodeposition with paired sidewall electrodes.</a> Soft Matter. 6, 3177-3183 (2010).</li>
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<li>Wu, L. -Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatially+Selective+Deposition+of+a+Reactive+Polysaccharide+Layer+onto+a+Patterned+Template%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Spatially Selective Deposition of a Reactive Polysaccharide Layer onto a Patterned Template.</a> Langmuir. 19, 519-524 (2003).</li>
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<li>Shi, X. -W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electroaddressing+of+Cell+Populations+by+Co-Deposition+with+Calcium+Alginate+Hydrogels%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Funct.+Mater%22%5BJournal%5D)">Electroaddressing of Cell Populations by Co-Deposition with Calcium Alginate Hydrogels.</a> Adv. Funct. Mater. 19, 2074-2080 (2009).</li>
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</ol>

本文的制作和免费访问由美国国防威胁降低局赞助。

我们的实验流程展示了生物聚合物薄膜的电沉积与功能化，这一过程我们称之为生物制造。通过将细胞和生物分子进行功能化修饰，我们构建出能够相互作用并与其组装所依赖的电极地址发生响应的生物表面。第一步电沉积是通过生物聚合物（在本研究中为海藻酸盐和壳聚糖）在电信号刺激下发生自组装而实现的。如前所述，该过程会产生一个pH梯度，该梯度可通过电流密度和沉积时间进行调控，从而进一步控制薄膜的尺寸和性能6,17。我们发现，表1中所示电极可采用多种电流密度与沉积时间的组合条件。尽管使用其他类型的电极也是可行的，但需对实验步骤进行相应调整。与其他成膜技术相比，电沉积过程简便、快速且无需额外试剂。该方法不需要大量昂贵设备和繁琐的前期准备。尤为重要的是，该过程对实验中的微小偏差具有良好的耐受性，若出现问题可轻易重新开始。
壳聚糖由于含有大量伯胺基团而具有重要的功能特性，能够响应较高的阴极pH梯度。在高pH条件下（高于其pKa值约6.3），胺基发生去质子化，壳聚糖变得不溶，从而形成薄膜。沉积后，薄膜将保持附着在电极表面。然而，如有需要，也可将其剥离。只要溶液的pH不低于pKa值，薄膜即可保持稳定。酸性溶液会使胺基质子化，随后产生的静电排斥作用导致凝胶溶胀直至溶解18。也就是说，组装/去组装过程可按需逆向进行，从而实现沉积薄膜的去除和电极的重复使用。 Conveniently，溶胶-凝胶转变发生的pH范围接近大多数生物组分最适功能发挥的pH范围，这使得该过程在组装过程中能理想地保持生物活性6。
海藻酸盐薄膜的形成得益于水的阳极电解以及碳酸钙的存在7。阳极局部的低pH环境使碳酸钙溶解，从而释放出钙离子。这些离子与海藻酸盐发生螯合，在电极表面形成交联网络结构。海藻酸盐薄膜可通过其他螯合剂（如柠檬酸盐或EDTA）竞争性结合钙离子而被逆转，从而实现薄膜的溶解，便于底层电极的重复使用。因此，在生理条件下，海藻酸盐薄膜相对脆弱，因为凝胶基质中的钙离子易被清除，导致结构弱化，进而引发薄膜剥离或重新溶解。为克服这一局限，我们引入了将薄膜在1 M CaCl2中孵育的步骤，以增强凝胶强度。此外，我们建议在薄膜的孵育溶液（如细胞培养基等）中添加CaCl2，终浓度为500 μM–3 mM。
第二个主要步骤是将沉积的薄膜与相关的生物组分进行功能化修饰。该过程可通过两种方式实现，第一种是电化学偶联，这是一种能够实现蛋白质快速、无需试剂组装并具有优异空间控制性的策略10。然而，这种功能化方式受限于Cl-离子在薄膜中向电极扩散，以及生成的活性中间体次氯酸（HOCl）反向扩散回溶液的过程。电活性分子穿过薄膜的能力使得化学和生物信号能够被转化为易于读取的电信号15。我们已证明酪氨酸酶介导的偶联是实现酶在壳聚糖上功能化的第二种策略，该方法通过共价连接AI-2合成酶得以验证。该策略使功能化过程具有可控性和选择性——依赖于一种特定试剂酪氨酸酶，该酶可特异性作用于含有酪氨酸标签的蛋白质9。
我们通过在芯片上复制天然通路，展示了多地址系统的有效性和生物相容性。首先，我们将两种细胞群体（即“发送者”和“接收者”）分别组织在不同的地址位置，并证明它们能够通过相邻电极相互作用，传递AI-2并产生荧光响应。这一概念此前也由Cheng et al. 在微流控芯片中得以验证14。我们还模拟了这种相互作用，但改用酶来合成AI-2以实现递送。通过这种方式，人工的细胞内通路——AI-2的合成——通过生物制造得以重现，并且其功能表现与在溶液中非常相似。
在这两种情况下，由于每个沉积溶液都必须引入到整个电极阵列，即使电沉积仅在特定地址进行，多个地址的组装都会面临避免地址间非特异性结合的挑战。轻柔而彻底的清洗可以去除未施加偏压电极上的大部分残留溶液；微流控通道中的流动可进一步降低非特异性结合。特别是对于壳聚糖与海藻酸盐地址的相邻生物制造，我们建议先沉积壳聚糖薄膜，随后进行生物功能化步骤，再进行海藻酸盐的电沉积。尽管本文未实施此步骤，但我们发现，用惰性蛋白（如脱脂乳、BSA等）封闭壳聚糖薄膜，可显著减少非目标分子在其氨基化表面的非特异性结合。
我们发现，将图案化电极（通常存在于生物微机电系统（bioMEMS）器件中）作为细胞和生物分子复杂排列的“蓝图”具有重要应用价值。壳聚糖电沉积在bioMEMS器件中的用途远不止本文所提及的示例19。壳聚糖可在多种微尺度几何结构上沉积，例如微通道和非平面表面20,15。此外，这些薄膜还可通过与其他聚合物以及多种蛋白质、DNA、纳米颗粒和氧化还原活性分子进行修饰，从而赋予其新颖的性能21,22,23。在bioMEMS器件中，壳聚糖薄膜已被用于药物递送、氧化还原及小分子检测、生物催化以及细胞研究20,23,24,25。类似地，海藻酸盐被广泛用作细胞包埋基质，并已被探索用于细胞群体的可逆流体封闭以及薄膜内免疫分析26,27,28。通过海藻酸盐电沉积已制备出用于组织工程应用的复合薄膜，例如包含羟基磷灰石成分的复合膜，可用于骨科植入物29。
在我们的生物制造示范中，我们已证明生物组分之间以及生物-电子界面之间的相互作用均具有同等适用性；这使得在芯片信号传递中整合各类相互作用以实现复杂功能成为可能。因此，生物制造可推动器件的制造，进一步缩小“最小特征尺寸”，这是微加工技术快速发展的直接延续，而微加工的发展往往由消费电子领域的需求所驱动。也就是说，下一代器件实际上可能包含不稳定的生物组分，这些组分能够在比人造系统更小的尺度上提供自然界精密的组装与识别能力。我们预计其近期应用将涵盖分析仪器、环境传感器，甚至生物相容性可植入器件。

<table><tbody><tr><td>电源供应</td><td>基思利</td><td>SourceMeter 2400</td><td></td></tr><tr><td>三电极恒电位仪</td><td>CH Instruments</td><td>电化学工作站/恒电流仪 600D</td><td></td></tr><tr><td>RE-5B Ag/AgCl 参比电极，带柔性连接器 </td><td>BASi</td><td>MF-2052</td><td></td></tr><tr><td>镀金硅片，500微米硅基底，12纳米铬，120纳米金，二氧化硅&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; 用于绝缘</td><td>定制加工</td><td></td><td></td></tr><tr><td>氧化铟锡涂层玻璃片，矩形，电阻 8-12 欧姆</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>578274</td><td></td></tr><tr><td>铂金片/箔（0.002 英寸）</td><td>Surepure Chemetals</td><td>1897</td><td></td></tr><tr><td>细线型 2&quot; 鳄鱼夹 </td><td>RadioShack</td><td>270-346</td><td></td></tr><tr><td>多堆叠香蕉插头跳线</td><td>TSElectronic</td><td>B-36-02 B-24-02</td><td></td></tr><tr><td>SYLGARD 184 硅酮弹性体试剂盒</td><td>道康宁</td><td>NC9020938 来自 Fischer</td><td></td></tr><tr><td>荧光体视显微镜</td><td>奥林巴斯株式会社</td><td>MVX10 宏观视图</td><td></td></tr><tr><td>cellSens Standard </td><td>奥林巴斯株式会社</td><td>版本 1.3</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;强&gt;表1. &lt;/strong&gt; 电沉积与荧光可视化设备</td></tr><tr><td>壳聚糖，中等分子量</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>448877</td><td></td></tr><tr><td>盐酸，ARISTAR，ACS、NF、FCC 级别 </td><td>VWR 国际公司</td><td>BDH3030</td><td></td></tr><tr><td>氢氧化钠溶液，10.00N</td><td>VWR 国际公司</td><td>VW3247</td><td></td></tr><tr><td>海藻酸钠</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>180947</td><td></td></tr><tr><td>Multifex-MM 沉淀碳酸钙，70 nm 颗粒</td><td>Speciality Minerals Inc.</td><td>100-3630-3</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;强&gt;表2. &lt;/strong&gt; 壳聚糖和海藻酸钠溶液试剂。</td></tr><tr><td>氯化钙二水合物</td><td>J.T. Baker</td><td>0504</td><td></td></tr><tr><td>氯化钠，分析纯 ACS 结晶</td><td>Fischer Scientific</td><td>S271</td><td></td></tr><tr><td>磷酸二氢钾，无水</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>P9791</td><td></td></tr><tr><td>磷酸氢二钾，无水</td><td>Sigma- Aldrich</td><td>P3786</td><td></td></tr><tr><td>磷酸盐缓冲液</td><td>Sigma- Aldrich</td><td>P4417</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;强&gt;表3. &lt;/strong&gt; 其他溶液组分和缓冲液试剂。</td></tr><tr><td>葡萄糖氧化酶来源于 &lt;em&gt;黑曲霉&lt;/em&gt;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>G2133</td><td></td></tr><tr><td>来自蘑菇的酪氨酸酶</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>T3824</td><td></td></tr><tr><td>LB 肉汤，Miller 型（颗粒状）</td><td>Fischer Scientific</td><td>BP9723-2</td><td></td></tr><tr><td>&quot;AI2合成酶&quot; （HGLPT）</td><td>实验室储备液 &lt;sup&gt;16&lt;/sup&gt;</td><td></td><td></td></tr><tr><td>W3110 野生型细胞</td><td>实验室储备品 &lt;sup&gt;30&lt;/sup&gt;</td><td></td><td></td></tr><tr><td>MDAI2 + pCT6-&lt;em&gt;lsrR&lt;/em&gt;-&lt;em&gt;安培&lt;/em&gt;&lt;sup&gt;r&lt;/sup&gt; + pET-&lt;em&gt;dsRed&lt;/em&gt;-&lt;em&gt;kan&lt;/em&gt;&lt;sup&gt;r&lt;/sup&gt; 细胞 </td><td>实验室储备液 &lt;sup&gt;30&lt;/sup&gt;</td><td></td><td></td></tr><tr><td>FluoroSpheres：1&amp;mu;m 直径，激发/发射波长：505/515</td><td>Invitrogen</td><td>F8765</td><td></td></tr><tr><td>5-(和-6)-羧基罗丹明 6G 琥珀酰亚胺酯，Ex/Em: 525/560</td><td>Invitrogen</td><td>C-6157</td><td></td></tr><tr><td>DyLight 抗体标记试剂盒，405</td><td>赛默飞世尔科技公司</td><td>PI-53020</td><td></td></tr><tr><td colspan="4">&lt;强&gt;表4. &lt;/strong&gt; 酶、细胞及其他功能化试剂。</td></tr></tbody></table>

通过生物制造技术连接生物-电子界面

Bridging the Bio-Electronic Interface with Biofabrication

芯片实验室技术的进步有望通过降低成本、提高灵敏度、便携性和通量，彻底改变科研与医学领域。将生物组分整合到生物微机电系统（bioMEMS）中，已展现出实现这些目标的巨大潜力。微加工电子芯片可实现微米级结构，并提供用于传感与驱动的电连接。功能性的生物组分则赋予系统对分析物的特异性检测能力、酶学功能以及完整细胞的功能。标准的微加工工艺和生物分析技术已分别在计算机和生物产业中成功应用数十年。然而，将二者在芯片实验室环境中进行集成与连接，却带来了新的挑战。目前亟需发展能够构建电极与生物组分之间界面的技术，该界面需具备温和性，且易于制造与图案化。
本文所述的生物制造（biofabrication）是一种极具前景的方法，因其能够简便地整合生物组分，并在芯片功能上实现多样化而展现出显著优势。生物制造利用生物材料和生物机制（如自组装、酶促组装）进行自下而上的层级化组装。尽管我们的实验室已在多种体系中验证了这些概念1,2,3，但本文重点展示基于电沉积并结合多种基于信号相互作用的应用的组装过程。该组装过程包括在电极上电沉积生物相容性、刺激响应性聚合物薄膜，随后将其与DNA、酶或活细胞等生物组分进行功能化修饰4,5。电沉积利用了在偏压电极表面因水电解所产生的pH梯度6,7。壳聚糖和海藻酸钠是两类具有刺激响应特性的生物聚合物，可在施加电信号的条件下触发其自组装形成水凝胶薄膜8。这些水凝胶的厚度取决于pH梯度从电极表面延伸的程度，可通过调节电流密度和沉积时间进行调控6,7。本实验方案将详细描述如何通过酶法或电化学方法，将生物组分共价连接至薄膜上丰富的伯胺基团，从而实现壳聚糖薄膜的沉积与功能化9,10。同时，也将介绍海藻酸钠薄膜及其对活细胞的包埋技术11。最后，通过化学信号转电信号、细胞间以及酶与细胞之间的信号传递等实例，展示生物制造技术的实际应用价值。
电沉积和功能化均可在接近生理条件的情况下进行，无需使用试剂，从而避免了对不稳定的生物组分造成严苛环境的影响。此外，壳聚糖和海藻酸盐长期以来已被用于与生物学相关的用途12,13。总体而言，生物制造是一种可在实验台简单操作的快速技术，可用于在电极上构建功能性生物组分的微米级图案，并适用于多种芯片实验室应用。

本文介绍了一种生物制造方法：在偏置电极存在下，沉积具有刺激响应性的多糖，以制备可与细胞或蛋白质功能化的生物相容性薄膜。我们展示了一种可在实验台操作的薄膜制备策略，以及这些薄膜在构建用于芯片实验室应用的交互式生物功能化表面中的基本用途。

芯片实验室技术的进步有望通过降低成本、提高灵敏度、便携性和...

以下实验的总体目标是通过电沉积方法制备生物聚合物薄膜，并利用蛋白质和细胞等生物组分对其进行功能化。电沉积过程利用了在偏压电极局部发生的pH变化，结合pH响应性多糖溶液来实现。通过选择阴极或阳极沉积策略，对电极施加偏压以触发溶胶-凝胶转变，从而生成具有由电极几何形状决定图案的薄膜。此外，可在电极沉积过程中引入蛋白质和细胞等生物组分。为了实现生物功能化，通过荧光成像获得的结果显示，这些生物组分可定位于薄膜中。同时，这些组分具有生物学功能，能够与其周围环境相互作用，这一点已通过酶活性的电化学检测以及报告细胞反应的应用得到证实。生物制造为构建生物学与电子学之间的界面提供了一种全新的工具箱。我们认为其主要优势在于操作简便，以及能够在接近生理条件下进行组装。生物学通过自组装和酶促方式在纳米尺度上进行制造方面具有天然优势。借助这些能力，我们可以规避其他组装技术所依赖的复杂、危险且耗时的合成方法。当我们的合作团队观察到风筝素可在电极上沉积时，便萌生了利用生物材料和机制构建BioD装置界面的想法。风筝素是一种对pH响应的成膜多糖，能够识别装置施加的电信号并在电极表面沉积形成薄膜。一旦我们发现风筝素可在电极上沉积，便意识到可以更广泛地利用生物化学和分子生物学领域的一系列工具来构建BioD装置界面。该技术的应用可拓展至芯片实验室环境，其中需要功能性生物组分，因为该方法可提供一种廉价且简便的方式，将这些组分定位在电极上并保持其活性。此方法的可视化演示至关重要，因为生物制备的薄膜可能具有专一性且易于损坏。因此，在清洗或处理薄膜时必须格外小心，避免操作过于剧烈。由于薄膜可能容易受到干扰，但其优点在于电极可以重复使用，因为薄膜易于去除。开始本实验方案时，使用鳄鱼夹通过跳线将电源连接到定制的电极上。一块覆盖有氧化铟锡（ITO）的玻璃载片将作为阳极或工作电极，铂箔则作为阴极或对电极。放置电极时，应使待功能化的ITO表面正对对电极，且ITO表面可垂直浸入溶液中，或水平放置以使溶液能保留在其表面。接下来，通过将1%海藻酸钠和0.5%碳酸钙溶于蒸馏水中并进行高压灭菌，制备海藻酸钠沉积溶液。然后，通过混合并涡旋震荡，使用Fluor spheres对海藻酸钠进行荧光标记。这将实现对所得薄膜的荧光成像。灭菌后，将两个电极浸入制备好的沉积溶液中，施加 3 A/m² 的恒定电流密度，持续 2 分钟。电压将在 2 至 3 伏范围内变化。2 分钟后，断开电极并移除非沉积溶液。用氯化钠轻轻冲洗薄膜，以去除多余的海藻酸盐。将薄膜短暂孵育于 0.1 摩尔氯化钙中以增强凝胶强度。随后将薄膜置于所需的保存溶液中孵育。在共沉积前，采用荧光显微镜对薄膜进行成像。按照本视频附带的书面方案，分别培养信号发送细胞和信号接收细胞。接着，配制海藻酸钠和碳酸钙的沉积溶液。将该溶液与每种细胞培养物按1:1比例混合，最终浓度为1%海藻酸钠和0.5%碳酸钙，同时将细胞稀释至约原培养密度的一半。使用带有两个 ITO 电极的玻璃载玻片，该载玻片由聚二甲基硅氧烷小室包围，并配有铂对电极。将其中一个 ITO 电极和铂电极连接至电源。同前，将电极浸入含有受体细胞的沉积溶液中。将电源设置为恒定电流，电流密度为每平方米3安培，其中表面积由将要发生沉积的单个电极定义。通电两分钟，使细胞在海藻酸盐基质中共同沉积。用氯化钠溶液像之前一样冲洗薄膜，然后将反向电极连接切换到相邻的ITO电极。重复上述沉积步骤，但此次引入含有供体细胞的溶液。将含有共沉积细胞和钙离子介导的精氨酸的双电极芯片置于磷酸盐缓冲液中，在37摄氏度下孵育过夜。加入10% LB培养基和1毫摩尔氯化钙。孵育后，使用荧光显微镜对芯片成像，以开始壳聚糖电极沉积。将电源连接至电极。安装鳄鱼夹。镀金硅片将作为阴极，铂箔将作为阳极。放置金电极表面，使其像之前一样沉积对电极。通过将Kato砂片加入水中，并缓慢加入2摩尔的盐酸以溶解多糖，制备Kato砂溶液。根据文中引用的步骤，可对Kato砂溶液进行荧光标记，以便通过荧光显微镜观察电极上沉积的薄膜。接下来，将电极完全浸入Kaizan溶液中，确保需要沉积的区域完全浸没。根据工作电极的表面积，以每平方米4安培的电流密度计算，在两分钟内施加恒定电流。在此情况下，对面积为4平方毫米的金电极施加16微安的电流。用去离子水冲洗电极以去除多余的壳聚糖后，电压将偏移至2至3伏范围内。随后，使用荧光显微镜对薄膜成像，并在电流密度为每平方米4安培的条件下，将壳聚糖和葡萄糖氧化酶从溶液中共沉积到图案化电极上。根据壳聚糖电极沉积步骤，将生成一种包埋有葡萄糖氧化酶的甲瓒膜。将处理过的电极连接至三电极系统，作为工作电极，以铂丝作为对电极，银/氯化银作为参比电极，将电极浸入含有氯化钠的磷酸盐缓冲溶液中。通过恒电位法施加恒定电压60秒，随后进行电化学共轭，将蛋白质共价连接至甲瓒膜上。将芯片置于磷酸盐缓冲液中，在轨道摇床上清洗10分钟，以去除未反应的氯化钠和未结合的葡萄糖氧化酶。重新安装三电极系统，并浸入5毫摩尔的葡萄糖溶液中。然后设置循环伏安法所需的参数，将电位正向扫描至0.7伏特。将电极从葡萄糖溶液中取出，并用磷酸盐缓冲液冲洗。然后将电极放入含有 8 毫升磷酸盐缓冲液的 10 毫升烧杯中，置于磁力搅拌器上。将 GOX 功能化的芯片设为 0.6 伏特，作为工作电极。设置好所需参数后，采集基线记录。向缓冲液中分次加入等份的葡萄糖，使每次加入后葡萄糖浓度增加 4 毫摩尔。在本实验中，向缓冲液中加入 400 微升 80 毫摩尔葡萄糖的等份溶液。将电流输出与各葡萄糖浓度相关联，以生成标准曲线。如需进行蛋白质功能化，请使用一块玻璃载片，其上设有相邻的金电极和 ITO 电极，并置于 A-P-D-M-S 内。将金电极施加阴极电位，使碲沉积，如先前所示。冲洗薄膜后，加入含有酪氨酸酶的蓝色荧光标记自诱导物2合成酶溶液。在室温下孵育一小时后。用 PBS 如前所述冲洗薄膜，将海藻酸盐沉积液中浸入的 ITO 电极施加阳极电位，该沉积液含有受体细胞。继续按照海藻酸盐中共沉积细胞群体的相同步骤操作，以酶促方式生成转导信号。冲洗薄膜后，加入含有 10% LB 培养基和 1 毫摩尔的 5 微摩尔 SAH 与 PBS 混合溶液。氯化钙覆盖电极以防止溶液蒸发，并在37摄氏度下孵育过夜。这将通过生成红色荧光蛋白DS Red来实现受体细胞的响应，相邻电极可通过荧光显微镜成像，只需调整滤光片以捕获蓝色荧光（来自诱导型合成酶）以及共用受体细胞表达的红色荧光。施加的电信号可在电极表面附近形成局部微环境，这些刺激可触发多糖（如海藻酸盐和Razan）的自组装，进而在电极表面沉积形成水凝胶薄膜。由于这种溶胶-凝胶转变发生在电极表面，因此所形成的薄膜可通过电信号进行定位，其几何形状与电极图案相对应。利用海藻酸盐，已实现将不同的细胞群体共沉积于不同的地址位置。当供体与受体细胞群体发生相互作用时，可观察到其电极寻址的证据。信号分子自诱导剂2从小号细胞中扩散并被接收细胞摄取，从而导致DS红色荧光蛋白的表达。此处，仅在接收细胞所定位的电极处观察到红色荧光。相反，生物传感酶葡萄糖氧化酶可通过酶促反应实现对葡萄糖的检测，其反应生成过氧化氢，后者可进一步通过电化学氧化产生输出电流。通过这种方式，化学信号可被转导为电信号。该图显示，与不含Geo X的薄膜相比，其中化学共轭了Geo X的薄膜在葡萄糖存在时会产生强烈的抗信号。这些结果表明，Geo X能够组装到沉积的zam薄膜上，并保留催化活性。此外，随着葡萄糖浓度的增加，会引发耳电流的阶跃式上升。标准曲线还显示，信号的逐步增加几乎呈线性，且依赖于所添加葡萄糖的量。这些结果表明，该酶在共价连接至Razza薄膜后仍保持其灵敏性。如图所示，I₂合酶包含一个五联酪氨酸标签。酪氨酸酶作用于该酪氨酸标签，将残基上的酚基氧化为邻苯醌，后者随后共价结合至Kazan的胺基。在此荧光图像中可观察到Kazam薄膜通过酪氨酸酶组装实现功能化的证据：图像显示金表面的kaza薄膜，其中功能化的I₂合酶被荧光标记为蓝色。由于I₂合酶能够以与供体细胞相同的方式，利用底物SAH生成I₂，因此当其靠近被招募的受体细胞且存在SAH时，也会引起受体细胞产生荧光响应，即表达ds。受体细胞再次出现红色荧光，表明由于AI-2在细胞间的扩散，导致了细胞地址之间的相互作用，同时也进一步说明固定在钛片上的10种酶在共价结合后仍保持活性。观看本视频后，您应能够充分理解如何通过电沉积制备多糖薄膜，以及如何利用多种技术对这些薄膜进行功能化修饰。我们已展示了这些功能化步骤的多样性，使其可与多种生物组分结合，用于后续的测试研究。一旦掌握，该技术可在短短几分钟内完成，从而在指定电极上生成明确定义的薄膜图案，并可将生物组分精确地接枝到这些图案上。通过这种方式，我们能够非常便捷地在指定电极上有序地构建出具有生物图案化特征且具备生物活性的表面，同时实现复杂的生物相互作用。在完成该操作流程后，研究者可在电极阵列的设计以及生物组分的选择方面发挥创造性，以实现预期的相互作用设计。我们希望生物制造工具能够架起生物技术与微电子学这两个截然不同领域的桥梁，这两个领域各自已经深刻改变了我们的生活。通过实现这两个领域的融合，我们相信将能够为一些社会最紧迫的问题创造出新的解决方案。例如，我们设想生物制造可能为新型传感方式提供简单而通用的方法，用于即时检测、疾病诊断以及对生物和化学威胁的感知。一个影响深远的例子是，下一代动脉支架不仅能够保持血管通畅，还能监测您的代谢谱。

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科研

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Bioengineering

生物工程

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我们已证明，将纳米结构蚀刻到皮层内微电极装置中可减轻炎症反应，并有望改善电生理记录效果。本文所述方法概述了一种将纳米结构蚀刻至非功能性及功能性单束硅基皮层内微电极表面的技术途径。...

聚焦离子束光刻技术在微电极上刻蚀纳米结构

采用软光刻技术，利用机械强度高且具有导电性的水凝胶制备一种仿生支架。微图案化水凝胶可实现心肌细胞的定向排列，从而产生特定方向的收缩作用。支架中还集成了柔性微电极，以实现对自搏动心肌组织的电学调控。...

仿生柔性机器人集成微电极

近期的两种技术——纹身和纺织品——在皮肤传感方面已展现出良好的应用前景。本文介绍了用于皮肤电生理传感的纹身电极和纺织电极的制备与评估方法。这些由导电聚合物制成的电子界面在舒适性和灵敏度方面优于现有标准。...

可穿戴柔性电极：从制备到电生理评估

本文介绍了一种利用有机电化学晶体管（OECTs）将Shewanella...

利用有机电化学晶体管转导胞外电子传递活性

本方案概述了先进的材料制备与 离体...

健康与缺血状态下双向电学与光电接口 离体 大鼠心脏

本方案描述了一种基于氧化铟锡（ITO）的一体式离子敏感场效应晶体管（ISFET）的制备方法，该器件可通过简短且简单的工艺（约半天时间）构建为溶液门控场效应晶体管传感器（例如pH传感器）。这种一体式ITO-ISFET也可应用于生物传感。...

基于溶液门控氧化铟锡一体化晶体管的制备及其在高灵敏生物传感中的应用

学习利用电沉积技术制备生物相容性多糖薄膜，并通过功能化整合蛋白质与细胞，用于芯片实验室等生物医学界面应用。该方法操作简便，可在近生理条件下实现生物自组装。

通过生物制造技术连接生物-电子界面

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