生物电子界面衔接与Biofabrication
2012年6月6日
本文介绍了biofabrication方法:在存在偏颇创建可与细胞或蛋白质功能的生物相容性薄膜电极刺激响应多糖沉积。我们展示了一代电影以及他们的基本用途，为创建互动实验室在一个芯片应用biofunctionalized表面台式战略。
以下实验的总体目标是电沉积生物聚合物膜，并用蛋白质和细胞等生物成分对其进行功能化。电沉积是通过利用偏压电极局部发生的 pH 值变化与 pH 响应多糖溶液相结合来实现的。在选择宣泄或阳极沉积策略时，电极被偏压以触发灵魂凝胶转变，从而产生具有由电几何定义的图案的薄膜。
此外，蛋白质和细胞等生物成分可以在整个电极沉积过程中引入。为了对薄膜进行生物学功能化，获得结果显示生物成分基于荧光成像定位于薄膜。此外，这些成分具有功能性，并且能够与环境相互作用，通过酶活性的电化学检测和报告细胞反应的使用来证明。
生物制造为构建生物学和电子学之间的界面提供了一个新颖的工具箱。我们认为它的主要优点是它的简单性和在接近生理条件下组装的能力。生物学擅长通过自组装和酶促手段进行纳米级制造通过利用这些功能，我们规避了其他组装技术使用的复杂、危险和耗时的合成方法。
当我们观察到生物材料和机制中的风筝可以沉积在电极上时，我们的合作团队萌生了使用生物材料和机制构建 BioD 设备接口的想法。Kitan 是一种 pH 响应性薄膜形成多糖，可以识别设备施加的电信号并沉积为薄膜。一旦我们看到 kitan 可以沉积在电极上，我们就意识到我们可以从生物化学和分子生物学中获得更广泛的工具套件来构建 BioD 设备接口。
这种技术的应用扩展到需要功能性生物成分的 labon 芯片设置，因为它们提供了一种廉价且简单的方法，可以将这些成分定位在电极上，使其保持活力。这种方法的视觉演示至关重要，因为生物制造薄膜可能是专用的并且很容易损坏。因此，在清洗或拍摄胶片时必须小心不要太苛刻。
正如这部电影可能被命名的那样，很容易被打扰。然而，作为一个优势，电子可以重复使用，因为薄膜很容易去除。要开始此协议，请使用鳄鱼夹通过跳线将电源连接到定制的电极。
氧化铟锡或 ITO 覆盖的载玻片将充当阳极或工作电极，铂箔将用作阴极或对电极，定位电极，使要功能化的 IT O 表面与对电极相对，其方式是 IT O 表面垂直定位以浸入溶液中或水平放置， 这样解就可以包含在表面上。接下来，通过在蒸馏水中混合 1% 海藻酸盐和 0.5% 碳酸钙并高压灭菌混合物来制备海藻酸盐沉积溶液。然后通过混合和涡旋用 Fluor 球体荧光标记藻酸盐。
这将允许对所得薄膜进行荧光成像 高压灭菌后，溶液将两个电极浸入制备的沉积溶液中，施加每平方米 3 安培的恒定电流密度，持续两分钟。电压将在 2 到 3 伏的范围内变化两分钟后，断开电极并去除无沉积物溶液。用氯化钠轻轻冲洗薄膜，以去除多余的藻酸盐。
将薄膜在 0.1 摩尔氯化钙中短暂孵育以增强凝胶。然后将薄膜在所需的储存溶液中孵育。在共沉积之前，继续使用荧光显微镜对薄膜进行成像。
按照本视频随附的书面方案中的指示培养信号发送者细胞培养物和信号接收细胞培养物。接下来，制备藻酸盐和碳酸钙的沉积溶液。将溶液与每种细胞培养物以一比一的比例混合，至终浓度为 1% 海藻酸盐和 0.5% 碳酸钙，并将细胞稀释至培养密度的一半左右。
使用载玻片，载玻片上有两个 ITO 电极，由一个聚二甲基硅烷井和一个铂对电极组成。将一个 ITO 电极和铂电极连接到电源。像以前一样，将电极浸入含有接收器单元的沉积溶液中。
将电源设置为密度为每平方米 3 安培的恒定电流，其中表面积尺寸由将发生沉积的单个电极定义。施加电流 2 分钟，以允许细胞在藻酸盐基质中共沉积。像以前一样用氯化钠冲洗薄膜，将 antic 连接切换到相邻的 ITO 电极。
重复沉积过程，但这次。介绍包含发送方单元格的解决方案。将含有共沉积细胞和精氨酸钙的两个电极芯片在 37 摄氏度下在磷酸盐缓冲盐水中孵育过夜。
补充有 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进行成像，开始壳聚糖电极沉积。将电源连接到电极。
消防鳄鱼夹。镀金硅芯片将用作阴极，铂箔将用作阳极。放置金电极表面，使其像以前一样沉积对电极。
通过将 Kato 沙片混合到水中并缓慢加入两摩尔氯化氢以溶解多糖来制备 Kato 砂溶液。按照文中引用的程序，可以对 Kato 砂溶液进行荧光标记，以便通过荧光显微镜对电极沉积的薄膜进行成像。电极进入 kaizan 溶液中，完全浸没所需的沉积区域。
施加恒定电流，持续两分钟，密度为每平方米 4 安培，根据工作电极表面积计算。在这种情况下，将 16 微安的电流施加到 4 平方毫米的金电极上，用去离子水冲洗电极以去除多余的壳聚糖后，电压将在 2 到 3 伏特的范围内移动。继续使用荧光显微镜、copos 壳聚糖和葡萄糖氧化酶从电流密度为每平方米 4 个斜坡的溶液中对胶片进行成像，并将其放在图案化电极上。
根据壳聚糖电极沉积程序，将产生一个被葡萄糖氧化酶包埋的 kaizan 薄膜。将处理过的电极连接到三电极系统上作为工作电极，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。偶联后，使用计时高温法施加恒定电压 60 秒，将蛋白质电化学偶联到 Kazam 膜上。
将芯片置于磷酸盐缓冲液中，在定轨摇床上洗涤 10 分钟，以去除任何未反应的氯化钠和未偶联的葡萄糖氧化酶。重新连接三电极系统并浸入 5 毫摩尔葡萄糖溶液中。然后设置循环波动率遥测的 DESIRE 参数，以将电位沿正方向扫描到 0.7 伏。
从葡萄糖溶液中取出电极，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，放在磁力搅拌板偏压上。GOX 将芯片功能化为 0.6 伏，用作工作电极。
设置 Desired 参数后，收集基线记录。向缓冲液中加入等分试样葡萄糖，使每个等分试样的葡萄糖浓度增加 4 毫摩尔。在本实验中，向缓冲液中加入 400 微升 80 毫摩尔葡萄糖等分试样。将电流输出与每个葡萄糖浓度相关联：为了生成标准曲线以进行蛋白质功能化，请使用载玻片，该载玻片带有 A-P-D-M-S 中包含的相邻金和 ITO 电极。
如前所述，将具有宣泄电位的金电极偏置到电极沉积 tizen。冲洗薄膜后，加入补充有酪氨酸酶的蓝色荧光标记的自诱导剂二合酶溶液。在室温下孵育 1 小时后。
像以前一样用 PBS 冲洗薄膜，将阳极电位施加到浸入含有接收器细胞的藻酸盐沉积溶液中的 ITO 电极上。继续执行细胞群在藻酸盐中的共沉积中概述的相同步骤，以酶促方式产生传输的信号。冲洗胶片后，加入补充有 10% LB 培养基和 1 毫摩尔的 5 微摩尔、SAH 和 PBS 的溶液。
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。这将允许通过产生红色荧光蛋白 DS 红色相邻电极来产生接收细胞反应，只需 justing，即可用荧光显微镜成像。用于捕获同样诱导剂二合酶的蓝色荧光的过滤器和由共选受体细胞表达的红色荧光施加电信号可以在电极表面附近产生局部微环境，这些刺激可以触发藻酸盐和拉扎胺等多糖的自组装，以水凝胶膜的形式沉积在电极表面。
因为这种灵魂凝胶转变发生在电极表面，所以得到的薄膜被电寻址，其几何形状与电极图案相匹配。使用藻酸盐，独特的细胞群已共沉积在不同的地址。在发送者和接收细胞群之间的相互作用中观察到它们的电极地址的证据。
该分子自动诱导来自发送细胞的两个扩散，并被接收细胞吸收，导致 DS red 荧光蛋白的表达。这里。仅在寻址接收器的电极上观察到红色荧光。相反，生物传感酶葡萄糖氧化酶通过产生过氧化氢，通过酶促反应提供检测葡萄糖的能力，然后过氧化氢可以被电化学氧化以产生输出电流。
通过这种方式，化学信号可以转化为电信号。该图显示，与不含 Geo X 的薄膜相反，Geo X 化学共轭的薄膜在葡萄糖存在下产生强烈的反信号。此外，随着葡萄糖浓度的增加，会产生耳电流的阶跃增加。
还存在的标准曲线表明，阶跃增加以近乎线性的方式进行，具体取决于添加的葡萄糖量。这些结果表明，该酶在与 Razza 膜结合后也保持其敏感性，如此处所示，I 二合酶包括一个 Penta 酪氨酸标签。酪氨酸酶作用在酪氨酸标签上，将残基酚基氧化成 o 醌，然后与喀山胺共价结合 在该荧光图像中观察到酪氨酸酶组装在 a i 二合酶内 Kazam 薄膜功能化的证据显示金上的 kaza 薄膜，其中官能化的 I 2 合酶已被荧光标记为蓝色，因为 I 2 合酶以相同的方式从底物 SAH 产生 I 2作为发送细胞，它在 SAH 存在下靠近共选的接收细胞也导致接收细胞通过表达 DS 发出荧光反应。
受体细胞的红红色荧光再次表明由于 ai 的扩散，两个从一个到另一个，地址之间的相互作用，并进一步表明固定到 tizen 上的 10 种酶在共价结合后保持活性。观看此视频后，您应该对如何电沉积多糖膜以及如何使用各种技术对其进行功能化有很好的了解。我们已经证明了这些功能化步骤的多功能性，使我们能够在进一步测试中使用多种生物成分。
一旦掌握，这项技术可以在短短几分钟内完成，以生成定义明确的薄膜图案，可以将生物成分精确接枝到这些图案上。因此，通过这种方式，我们能够非常轻松地在指定的电极上生成生物图案和活性表面，所有这些都以有组织的方式完成，但能够实现复杂的生物相互作用。按照这个程序，创造力可以在电阵列的设计和生物组件的选择中采用，以实现设计交互。
我们希望生物制造工具能够连接生物技术和微电子这两个不同的领域，每个领域都分别改变了我们的生活。通过连接这两个领域，我们相信我们将为一些社会最紧迫的问题创造新的解决方案。例如，我们设想生物制造可能会为新的传感方式、护理点、疾病诊断以及传感生物和化学威胁提供简单而通用的方法。
一个影响深远的例子可能是下一代动脉支架也能够监测您的代谢状况并保持动脉畅通。
概述
本文介绍了一种使用刺激响应多糖和偏置电极创建生物相容性薄膜的生物制造技术。该方法允许使用生物组分对这些薄膜进行功能化，使其可用于实验室芯片应用。
关键研究组成部分
科学领域
- 生物制造
- 电化学
- 生物材料
背景
- 电沉积利用偏置电极的pH变化。
- 多糖可以形成对电信号响应的薄膜。
- 生物组分可以在沉积过程中集成。
- 这种方法简化了生物界面的组装。
研究目的
- 开发一种沉积生物聚合物薄膜的方法。
- 使用蛋白质和细胞对这些薄膜进行功能化。
- 展示这些薄膜在实验室芯片环境中的应用。
使用的方法
- 制备用于电沉积的多糖溶液。
- 施加恒定电流以促进薄膜形成。
- 使用荧光成像来可视化生物组分。
- 用细胞培养物孵育薄膜以进行功能测试。
主要结果
- 成功沉积具有局部生物组分的功能化薄膜。
- 展示了酶活性和细胞相互作用。
- 视觉确认了薄膜的完整性和生物功能。
- 电极可用于多次沉积循环。
结论
- 这种生物制造方法提供了一种创建交互表面的简单有效的方法。
- 它利用生物自组装进行纳米尺度制造。
- 该技术在各种生物医学设备中具有潜在应用。
常见问题
Executive Industry Relevance
Biofabrication enables the creation of functional biological interfaces on electrodes under near-physiological conditions, supporting lab-on-a-chip development for diagnostic and sensing applications. This approach reduces reliance on harsh chemical synthesis, preserving labile biomolecules while enabling precise spatial patterning of biological components. The technique bridges biotechnology and microelectronics, offering a scalable, reusable platform for early-stage target validation and assay development in pharmaceutical R&D.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through localized delivery of enzymes, DNA, or live cells onto electrode surfaces for functional readouts.
- Operational Value: Supports biological de-risking by maintaining biomolecule viability during assembly, reducing false negatives in target engagement studies.
- Predictive Value: Facilitates mechanistic de-risking by enabling real-time transduction of biochemical signals (e.g., glucose to electrical) for pathway confirmation.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Generates reproducible, micron-scale patterns of functionalized biological components on electrodes, enabling standardized compound screening.
- Quantitative Output: Enables electrochemical detection of enzymatic activity (e.g., glucose oxidase) and fluorescent reporter signals for dose-response analysis.
- Platform Reuse: Electrodes can be cleaned and reused across multiple deposition cycles, supporting cost-effective assay iteration.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Supports progression from discovery to preclinical by maintaining biological function in fabricated interfaces, enabling validation of cell-cell signaling (e.g., autoinducer-mediated DSRed expression).
- Biomarker Alignment: Enables monitoring of metabolite fluxes (e.g., glucose) as translational biomarkers in engineered tissue-mimetic systems.
- Risk-Adjusted Advancement: Provides early functional validation of biological components in device-compatible formats, informing go/no-go decisions.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery workflows by enabling hypothesis-driven assembly of biological sensors, supporting lead identification through functional readouts, and informing preclinical continuity via signal transduction validation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing via spatially controlled presentation of biological components (e.g., enzymes, signaling molecules) to assess target engagement and pathway activity.
- Screening: Enables assay standardization through reproducible hydrogel film thickness and uniform biological component localization via electrodeposition parameters.
- Analytics: Provides quantitative electrochemical and fluorescent readouts (e.g., current response to glucose, DSRed fluorescence) for comparing experimental conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical validation by demonstrating cell-to-cell signal transmission (e.g., AI-2 diffusion triggering receiver cell response) in device-relevant formats.
- Enterprise Reuse: Electrode reusability and simple benchtop execution position biofabrication as a scalable, cross-project capability rather than a single-use technique.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence through direct transduction of biological signals to measurable electrical or fluorescent outputs, reducing mechanistic ambiguity.
- Operational Value: Standardization and reproducibility via controlled electrodeposition (current density, time) and near-physiological assembly conditions.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions by enabling early functional validation of biological components in assay-compatible formats, reducing late-stage biological risk.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization through generation of quantitative, reproducible data on biomolecule activity and interaction in microelectronic interfaces.
Implementation Considerations
- Requires expertise in electrochemistry, biomaterials, and fluorescence microscopy for solution preparation, deposition, and functionalization.
- Depends on potentiostat/galvanostat equipment, patterned electrodes (e.g., ITO, gold), and microfluidic-compatible chambers for current-controlled assembly.
- Necessitates standardization of deposition solutions (e.g., chitosan, alginate concentrations) and crosslinking conditions (e.g., CaCl2) across teams for film consistency.
- Adaptation to different biological components (e.g., proteins vs. cells) requires optimization of functionalization chemistry (e.g., enzymatic vs. electrochemical conjugation) and incubation conditions.
- Practical limitation: Hydrogel films may be mechanically delicate, requiring gentle handling during rinsing and imaging to prevent delamination or damage.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
2:57
Alginate Electrodeposition
4:40
Codeposition of Communication Cell Populations in Alginate
6:29
Chitosan Electrodeposition
7:51
Electrochemical Transduction with a Functionalized Chitosan Film
9:58
Protein Functionalization using Enzymatic Assembly
11:32
Results: Interactive Biofunctionalized Surfaces for Lab-on-a-chip Applications
14:41
Conclusion
