Summary
Hier presenteren we het fabricageprotocol van een organisch ladingsgemoduleerd veldeffecttransistor (OCMFET) -gebaseerd apparaat voor in vitro cellulaire interfacing. Het apparaat, een micro OCMFET-array genaamd, is een flexibel, goedkoop en referentieloos apparaat, dat de monitoring van de elektrische en metabole activiteiten van elektroactieve celculturen mogelijk maakt.
Abstract
De moderne elektrofysiologie wordt voortdurend gevoed door de parallelle ontwikkeling van steeds geavanceerdere gereedschappen en materialen. Op hun beurt hebben ontdekkingen op dit gebied de technologische vooruitgang gestimuleerd in een heen-en-weer proces dat uiteindelijk de indrukwekkende prestaties van de afgelopen 50 jaar heeft bepaald. De meest gebruikte apparaten die worden gebruikt voor cellulaire interfacing (namelijk de micro-elektrode-arrays en micro-elektronische apparaten op basis van transistors) hebben echter nog steeds verschillende beperkingen, zoals hoge kosten, de stijfheid van de materialen en de aanwezigheid van een externe referentie-elektrode. Om deze problemen gedeeltelijk te overwinnen, zijn er ontwikkelingen geweest in een nieuw wetenschappelijk veld genaamd organische bio-elektronica, wat resulteert in voordelen zoals lagere kosten, handigere materialen en innovatieve fabricagetechnieken.
Verschillende interessante nieuwe organische apparaten zijn in het afgelopen decennium voorgesteld om gemakkelijk te communiceren met celculturen. Dit artikel presenteert het protocol voor de fabricage van apparaten voor cellulaire interfacing op basis van de organische lading-gemoduleerde veldeffecttransistor (OCMFET). Deze apparaten, micro OCMFET-arrays (MOA's) genoemd, combineren de voordelen van organische elektronica en de eigenaardige kenmerken van het OCMFET om transparante, flexibele en referentieloze hulpmiddelen voor te bereiden waarmee het mogelijk is om zowel de elektrische als de metabole activiteiten van cardiomyocyten en neuronen in vitro te volgen, waardoor een multiparametrische evaluatie van elektrogene celmodellen mogelijk wordt.
Introduction
In vivo monitoring van elektroactieve cellen, zoals neuronen en cardiomyocyten, vertegenwoordigt een geldige en krachtige benadering in fundamentele onderzoekstoepassingen voor het menselijk brein, functionele connectiviteitsstudies, farmacologie en toxicologie. De instrumenten die gewoonlijk voor dergelijke studies worden gebruikt, zijn voornamelijk gebaseerd op micro-elektrodearrays (MEA's)1,2,3,4,5 en steeds efficiëntere en krachtigere veldeffectapparaten (FET's)6,7,8,9,10,11,12 . Deze twee families van apparaten maken de real-time monitoring en stimulatie van de elektrische activiteit van neuronen en cardiomyocyten mogelijk en worden meestal gekenmerkt door robuustheid, gebruiksgemak en betrouwbaarheid. Deze functies maken MEA's en FED's de gouden standaard voor elektrofysiologische toepassingen, die momenteel worden gebruikt om te communiceren met standaard cellulaire culturen, organotypische hersenplakken en driedimensionale organoïden13,14,15,16. Ondanks hun wijdverbreide gebruik en hun indrukwekkende kenmerken, bieden MEA's en FET's enkele beperkingen, zoals hoge kosten, de stijfheid van de materialen en de aanwezigheid van een meestal omvangrijke referentie-elektrode, die in de meetvloeistofomgeving moet worden geplaatst en noodzakelijk is voor een goede werking van de apparaten.
Om alternatieve oplossingen voor cellulaire interfacing te verkennen, is het afgelopen decennium veel aandacht besteed aan de studie van elektronische apparaten op basis van organische materialen en innovatieve fabricagetechnieken17. Onder de verschillende organische apparaten die zijn bestudeerd om de bovengenoemde beperkingen aan te pakken, is onlangs een eigenaardige organische transistor genaamd OCMFET voorgesteld als een geldig alternatief voor MEAs en FEDs18. Naast de standaardfuncties van de organische elektronicatechnologie, zoals goedkope materialen en fabricagetechnieken, optimale mechanische en chemische eigenschappen, optische transparantie en biocompatibiliteit, biedt het OCMFET ook een ultrahoge ladingsgevoeligheid (vanwege de dubbelwandige structuur) zonder de noodzaak van een externe referentie-elektrode. Bovendien heeft deze organische sensor het opmerkelijke vermogen om verschillende analyt/fysische parameters te detecteren, afhankelijk van de specifieke functionalisatie van het detectiegebied, dat gescheiden is van het transistorgebied19,20. Al deze functies kunnen gemakkelijk worden gebruikt voor het verwerven van verschillende parameters binnen een cellulaire cultuur. In het bijzonder is het, naast het kunnen detecteren van de neuronale / cardiale elektrische activiteit, ook mogelijk om de ultrahoge pH-gevoeligheid te benutten die wordt geboden door de eigenaardige double-gated structuur van de OCMFET door een eenvoudige fysieke functionalisatie21 te gebruiken om de lichte lokale pH-variaties veroorzaakt door cellulaire metabole activiteit betrouwbaar te volgen.
In vitro celbiosensing is de monitoring van cellulaire metabole activiteit een krachtige indicator van de toestand van de cultuur en kan worden gebruikt om de cellulaire respons op verschillende stimuli te beoordelen, zoals toediening van geneesmiddelen en elektrische stimulatie22,23. Bovendien is in het specifieke geval van neurale toepassingen het monitoren van zowel de elektrische als de metabole activiteiten van groot belang, met name in de farmacologie en toxicologie24. Met de bedoeling om gemakkelijk tegemoet te komen aan de vereisten van de moderne in vitro elektrofysiologie en tegelijkertijd alle voordelen van de OCMFET te bieden, is onlangs een apparaat genaamd Micro OCMFET Array (MOA) geïntroduceerd. De MOA is een op OCMFET gebaseerde array met gespecialiseerde detectiegebieden die speciaal zijn ontworpen voor in vitro cellulaire interfacing, waardoor de multiparametrische analyse van elektrogene celculturen mogelijk is. In het bijzonder hebben twee MOA-kanalen grotere detectiegebieden om hun gevoeligheid te maximaliseren en kunnen ze selectief worden gefunctionaliseerd om specifieke parameters van belang te bewaken, zoals de pH-variaties van het kweekmedium. De andere OCMFET's in de structuur fungeren als extracellulaire elektrische activiteitssensoren. Figuur 1 toont de structuur van een 16-kanaals MOA. Deze mogelijkheid, gecombineerd met de afwezigheid van een externe referentie-elektrode, maakt de MOA een zeer interessant hulpmiddel voor in vitro toepassingen. Dit werk presenteert het stapsgewijze fabricageprotocol van een multisensing MOA voor de in vitro detectie van de elektrische en metabole activiteiten van neuronen en cardiomyocyten. Figuur 2 toont de belangrijkste fabricagestappen, de gebruikte materialen en de structuur van het apparaat.
Protocol
Alle geldende internationale, nationale en/of institutionele richtlijnen voor de verzorging en het gebruik van dieren werden gevolgd. Alles werd in het werk gesteld om het aantal dieren voor het project te verminderen en hun lijden te minimaliseren.
1. Voorbereiding van de ontwikkelingsoplossing, de etsoplossingen, de organische halfgeleideroplossing en de fotolithografische maskers
- Bereid de ontwikkelingsoplossing door NaOH-pellets te verdunnen in gedeïoniseerd water in een concentratie van 175 mM.
OPMERKING: Dit is een exotherme reactie. Als een plastic container wordt gebruikt, blijf de container dan roeren totdat alle pellets volledig zijn opgelost. - Bereid de titanium-etsoplossing door fluorwaterstofzuur (HF) te verdunnen in gedeïoniseerd water (1 deel geconcentreerd 48% HF, 49 delen gedeïoniseerd water).
LET OP: Fluorwaterstofzuur kan gemakkelijk de huid binnendringen, waardoor ernstige schade aan diepe weefsellagen ontstaat. Snelle neutralisatie van HF is noodzakelijk om weefselvernietiging te voorkomen, die dagenlang kan aanhouden en kan leiden tot ernstig letsel of zelfs de dood. De risico's verbonden aan HF zijn afhankelijk van de concentratie en de duur van het contact met het zuur. Gebruik alleen onder een zuurkast met een gelaatsscherm. Dubbele handschoenen worden ook sterk aanbevolen. - Bereid de goudetsoplossing door jodium, kaliumjodide en gedeïoniseerd water te mengen (gebruik voor 250 g oplossing 200 ml gedeïoniseerd water, 20 g KI, 5 g I2). Roer de oplossing gedurende 1 uur op kamertemperatuur en laat deze een nacht rusten voor gebruik.
- Bereid de halfgeleideroplossing door 6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)pentaceen (TIPS Pentaceen) op te lossen in anisol (1 gewichtsprocent) en gedurende 2 uur zachtjes te roeren op een hete plaat bij 80 °C.
OPMERKING: Blijf deze oplossing roeren. Gebruik amberkleurige glazen injectieflacons en/of bewaar ze bij weinig licht. - Bereid de gewenste fotolithografische maskerset voor met vectorafbeeldingssoftware. Bereid 5 maskers voor het hele proces voor: het masker voor het patroon van de zwevende poorten (FG's); het masker voor het openen van de vias en de detectiegebieden voor de elektrofysiologische opnames; het masker voor het zelfuitlijningsproces; het masker voor het patroon van de bron, afvoer en controle poort top contact; en het masker voor de plasmaactivering van de pH-kanalen.
OPMERKING: Afhankelijk van de benodigde resolutie en de specifieke fotolithografische opstelling, kunnen verschillende soorten maskers worden gebruikt. In het geval van de voorgestelde apparaten (die een maximale laterale resolutie van 40 μm hebben), zijn eenvoudige plastic flexibele maskers gekocht bij een lokale fotokopieerwinkel.
2. Substraat selectie en voorbereiding
- Snijd een vierkant van 6 x 6 cm2 van 250 μm polyethyleentereftalaat (PET) uit een ongerept PET-vel.
OPMERKING: Begin met een iets groter substraat dan het uiteindelijke apparaat om voldoende ruime marges te hebben om manipulatie met een standaard laboratoriumpincet mogelijk te maken zonder het te beschadigen. - Inspecteer het substraat met een optische microscoop om de aanwezigheid van diepe groeven en krassen uit te sluiten. Selecteer zorgvuldig de minder bekraste substraten, omdat grotere onvolkomenheden kunnen leiden tot het falen van het uiteindelijke apparaat.
- Spoel de PET-substraten met aceton, isopropylalcohol en gedeïoniseerd water (in deze volgorde) en droog ze met stikstofstromen. Bewaar de substraten in schone plastic petrischaaltjes/bakjes.
3. FG: titaniumafzetting
- Reinig de substraten voor met plasmazuurstof (30 s bij 100 W) en plaats ze op de substraathouder in de vacuümkamer van de thermische verdamper.
- Plaats 60 mg titanium in de kroes, sluit de sluiter en pomp de verdampingskamer naar beneden totdat deze een vacuümniveau bereikt dat lager is dan 10-6 Torr. Verhoog de kracht van de verdamper totdat de smeltkroes rood gloeit en wacht tot 30 s. Open de sluiter, verhoog het vermogen tot 60% (of totdat de smeltkroes helder wit gloeit) en wacht op 60 s. Sluit de sluiter en zet de stroom lager.
- Verwijder de substraten uit de verdamper; reinig ze met aceton, isopropylalcohol en gedeïoniseerd water; en droog ze met behulp van stikstofstromen. Voer een tweede zuurstofplasmabehandeling uit (60 s bij 200 W) om het titaniumoppervlak licht te oxideren.
4. FG-patronen
- Plaats één substraat tegelijk op de spincoater die in een zuurkast is geplaatst. Deponeer 4 ml fotoresist op het substraat met behulp van een plastic wegwerppipet. Gebruik de volgende spincoatingparameters om een fotoresistlaag van 2 μm dik te verkrijgen: spinsnelheid: 3000 rpm; spin tijd: 45 s; versnellingstijd: 0,5 s; vertragingstijd: 0,5 s.
- Bak de fotoresist zacht door het substraat op een hete plaat (70 °C gedurende 5 min) te plaatsen. Bewaar het substraat in een in aluminiumfolie verpakte petrischaal / plastic container om directe blootstelling aan licht te voorkomen.
OPMERKING: Vermijd de voorgestelde baktemperatuur (100 °C gedurende 50 s) om substraatvervorming te voorkomen. Langer bakken op een lagere temperatuur zorgt echter voor goede resultaten. - Plaats het apparaat in een bromograaf en plaats het plastic fotolithografische masker met de gewenste FG-lay-out op het substraat. Stel het masker gedurende 1 minuut bloot aan ultraviolet (UV) licht van bovenaf en verwijder het masker voorzichtig, waarbij u ervoor zorgt dat de zijdelingse bewegingen van het masker over het substraat worden geminimaliseerd om krassen te voorkomen.
- Dompel het substraat gedurende 5 s in een glazen container gevuld met de ontwikkelingsoplossing (stap 1.1). Spoel het snel af in gedeïoniseerd water en droog het onder stikstof. Gebruik een optische microscoop om te zoeken naar onderontwikkelde / overontwikkelde plekken in het substraat. Herhaal de onderdompeling van het substraat bij het ontwikkelen van een oplossing in geval van onderontwikkeling.
- Ets het blootgestelde titanium door het gedurende 15 s onder te dompelen in de titanium etsoplossing (stap 1.2), spoel het af met gedeïoniseerd water en droog het met stikstof. Inspecteer het substraat optisch en verwijder de fotoresist met aceton. Spoel het substraat met isopropylalcohol en gedeïoniseerd water en droog het met stikstof.
5. Poort diëlektrische depositie
- Bereid de afzettingskamer van de Paryleencoater voor door 2 ml van de adhesiepromotor (silaan - 3-(trimethoxysilyl)propylmethacrylaat) over de wanden van de afzettingskamer te verdelen met behulp van een laboratoriumdoekje. Breng 300 mg Paryleen C dimeer (overeenkomend met een uiteindelijke dikte van 150 nm) op de Paryleen coater. Stel de lagere drukwaarde in op 7 mbar en de hogere drukwaarde op 10 mbar. Reinig na de afzetting de substraten met aceton, isopropylalcohol en gedeïoniseerd water en droog ze met stikstof.
6. Opening van de detectiegebieden van het OCMFET voor de registratie van elektrische activiteit en de vorming van de vias om toegang te krijgen tot de achterkant van de FG's
- Deponeer de fotoresist op de substraten met dezelfde parameters van stap 4.1 en 4.2.
- Plaats het apparaat in een bromograaf en plaats het plastic fotolithografische masker op het substraat voor de vias (cirkelvormige openingen met een diameter van 50 μm over de detectiegebieden en 100 x 100 μm2 openingen over de FG's weg van de detectiegebieden (in figuur 1 en figuur 2 aangeduid als rugcontact van de FG's)) onder een stereoscopische microscoop om de uitlijningsnauwkeurigheid te verbeteren. Stel het masker gedurende 1 minuut bloot aan UV-licht van bovenaf en verwijder het masker voorzichtig, waarbij u ervoor zorgt dat de zijdelingse bewegingen van het masker over het substraat worden geminimaliseerd om krassen te voorkomen.
OPMERKING: De vias aan de zijkant van de FG's weg van het detectiegebied (weergegeven als achtercontact van FG's in figuur 1 en figuur 2) zijn noodzakelijk voor contact tijdens de karakterisering van de transistor. Bovendien kan het hebben van elektrische toegang tot de FG's zeer nuttig zijn voor verschillende soorten functionalisatie (bijv. Elektrodepositie). - Ontwikkel de fotoresist zoals eerder beschreven in stap 4.4. Stel het substraat met de patroonfotoresist (die hier als masker fungeert) bloot aan zuurstofplasma (180 s bij 200 W) om de Paryleen C uit de detectiegebieden te verwijderen.
OPMERKING: De etssnelheid van Paryleen C in een isotroop plasmareiniger bij 200 W is ongeveer 90 nm/min. Een lichte over-ets wordt uitgevoerd om de detectiegebieden verder te reinigen. De fotoresist wordt ook geëtst tijdens het proces. De dikte (2 μm) is echter veel hoger dan die van de Paryleen C. - Plaats de substraten in een glazen container gevuld met aceton in het ultrasone bad gedurende 10 s om de fotoresist volledig te verwijderen. Spoel de substraten af met aceton, isopropylalcohol en water en droog ze met stikstof.
OPMERKING: Het gebruik van ultrasoonapparaat in plaats van eenvoudigweg de substraten met aceton te spoelen is cruciaal om ongewenste vouwing en herafzetting van Parylene C-fragmenten op het oppervlak van de detectiegebieden te voorkomen.
7. Zelfuitlijning van bron en afvoer met de FG
- Deponeer de fotoresist op de substraten met dezelfde parameters van stap 4.1 en 4.2. Plaats het apparaat in een bromograaf en plaats op het substraat een plastic fotolithografisch masker met eenvoudige zwarte rechthoeken die de gebieden van de transistor volledig bedekken. Stel het masker gedurende 1 minuut bloot aan UV-licht vanaf zowel de boven- als de onderkant en verwijder het masker voorzichtig, waarbij u ervoor zorgt dat de laterale bewegingen van het masker over het substraat worden geminimaliseerd om krassen te voorkomen.
OPMERKING: Bij de dubbelzijdige belichting fungeren de FG's als fotolithografische maskers ten opzichte van de onderste belichting, terwijl de aanwezigheid van het bovenste masker ervoor zorgt dat alleen de fotoresist die aanwezig is op het kanaal van de transistors onbelicht blijft. - Ontwikkel de fotoresist zoals eerder beschreven in stap 4.4.
8. Goudafzetting, kanaalvorming en patroonvorming van de bronnen, afvoeren en controlepoorten
- Reinig de substraten met een zachte plasmabehandeling (30 s bij 30 W) om de hechting van het metaal op de Paryleen C te bevorderen en plaats ze op de substraathouder in de vacuümkamer van de thermische verdamper.
- Plaats 30 mg goud in de kroes, sluit de sluiter en pomp de verdampingskamer naar beneden totdat deze 10-5 Torr bereikt. Verhoog de kracht van de verdamper totdat de smeltkroes rood gloeit en wacht tot 30 s. Open de sluiter, verhoog het vermogen tot 40% (of totdat de smeltkroes helder wit gloeit), wacht op 60 s, sluit de sluiter en zet de stroom lager.
- Plaats de substraten gedurende 10 s in een acetoncontainer in het ultrasone bad om de fotoresist op te tillen, waardoor het goud uit het kanaal van de transistors wordt verwijderd. Spoel de substraten af met aceton, isopropylalcohol en water en droog ze met stikstof. Deponeer de fotoresist op de substraten met dezelfde parameters van stap 4.1 en 4.2.
- Plaats het apparaat in een bromograaf en plaats op het substraat een plastic fotolithografisch masker met de gewenste bronnen, afvoeren en de lay-out van de bedieningspoort. Stel het masker gedurende 1 minuut vanaf de bovenkant bloot aan UV-licht en verwijder het masker voorzichtig, waarbij u ervoor zorgt dat de zijdelingse bewegingen van het masker over het substraat worden geminimaliseerd om krassen te voorkomen.
- Ontwikkel de fotoresist zoals beschreven in stap 4.4. Ets het blootgestelde goud door het gedurende 10 s onder te dompelen in de goudetsoplossing (stap 1.3), spoel het af met gedeïoniseerd water en droog het uit met stikstof. Inspecteer het substraat optisch en verwijder de fotoresist met aceton. Spoel af met isopropylalcohol en gedeïoniseerd water en droog het met stikstof.
9. Afzetting en activering van de Paryleen C voor pH-detectie
- Deponeer de fotoresist op de substraten met dezelfde parameters van stap 4.1 en 4.2.
- Plaats het apparaat in een bromograaf en plaats op het substraat een plastic fotolithografisch masker met openingen die overeenkomen met de pH-detectiegebieden van de OCMFETs. Stel het masker gedurende 1 minuut vanaf de bovenkant bloot aan UV-licht en verwijder het masker voorzichtig, waarbij u ervoor zorgt dat de zijdelingse bewegingen van het masker over het substraat worden geminimaliseerd om krassen te voorkomen.
- Ontwikkel de fotoresist zoals beschreven in stap 4.4. Bescherm het hele apparaat, met uitzondering van de pH-detectiegebieden, met polyimide-isolatietape (zie de tabel met materialen). Deponeer een laag van 500 nm Paryleen C (overeenkomend met 1 g Paryleen C-dimeer) op het substraat met dezelfde parameters als beschreven in stap 5.1.
OPMERKING: De totale Paryleen C-dikte op de pH-detectiegebieden is 650 nm. Voor deze afzetting is geen silaan nodig. - Verwijder voorzichtig de polyimide isolatietape. Stel het substraat bloot aan zuurstofplasma (5 min en 30 s bij 200 W) om de Paryleen C op de pH-detectiegebieden van de OCMFETs te activeren.
OPMERKING: De polyimide isolatietape is hier nodig om de Parylene C-afzetting te beperken. In feite geeft een eenvoudige lift-off met behulp van de fotoresist geen positieve resultaten vanwege de bijna pinhole-vrije aard van de conformale coating verkregen met Parylene C. - Plaats de substraten gedurende 10 s in een acetoncontainer in het ultrasone bad om de fotoresist volledig te verwijderen. Spoel de substraten af met aceton en isopropylalcohol (geen water) en droog ze met stikstof.
10. Halfgeleiderafzetting, plaatsing van kweekkamers en definitieve uitsparing van het apparaat uit de PET
- Leg de substraten op een hete plaat bij 50 °C. Giet een druppel (1 μL) halfgeleideroplossing (stap 1.4) op elk kanaalgebied, bedek het hele substraat met een deksel en laat het gedurende 30 minuten uitdrogen onder een chemische kap.
- Bereid de kweekkamer voor door met een 3D-printer een acrylonitrilbutadieen-styreenring te printen met een binnenradius van 15 mm, een dikte van 1 mm en een hoogte van 7 mm. Lijm de kweekkamer op het centrale deel van het substraat met polydimethylsiloxaan (verhouding van het uithardingsmiddel: 15 gewichtsprocent). Knip het apparaat handmatig of met behulp van een lasersnijder uit het PET.
11. Elektrische karakterisering van transistors
- Karakteriseer elke transistor met behulp van een bronmeter18,19,20,21 (zie de tabel met materialen).
OPMERKING: Zowel de uitgangs- als de ingangskarakteristieken moeten worden gemeten om de parameters van de transistors te extrapoleren (voornamelijk de mobiliteit van de dragers, de drempelspanning, de ION/ IOFF-verhouding en de subthreshold-helling).
Representative Results
Het potentieel van de MOA is hier gevalideerd voor zowel elektrische activiteitsregistraties als metabole activiteitsmonitoring. De nauwkeurige schatting van de mogelijkheden van het apparaat om extracellulaire actiepotentialen te detecteren was gebaseerd op een grondige karakterisering met rat cardiomyocytenculturen (met name in primaire rat cardiomyocyten gemeten na 8 dagen in vitro [DIV])18. Figuur 3A toont een volledige MOA met 16 OCMFETs. De bovenste inzet toont een voorbeeld van een confluente rat cardiomyocytencultuur die zich aan het oppervlak van de MOA hecht. Om hun gezondheid te benadrukken, zijn de cellen na de opnamesessie immunos gekleurd voor het sarcomerische eiwit, tropomyosine. De onderste inzet toont een enkel cardiomyocytensignaal gemeten met een OCMFET.
Interessant is dat het apparaat spontane elektrische activiteit en de activiteit die wordt geïnduceerd bij het toedienen van verschillende chemicaliën kan detecteren, zoals weergegeven in figuur 3B. Deze validatie was cruciaal om de haalbaarheid aan te tonen van het gebruik van deze aanpak voor elektrogene celinterfacing. Vanwege de arrayconfiguratie maakte de MOA ook de reconstructie van de voortplantingssnelheid van het hartsignaal mogelijk, waardoor de geschiktheid van het systeem voor de studie van cellulaire netwerken werd aangetoond (figuur 3C). Voor verdere validatie om de werkelijke detectielimiet van het apparaat te bepalen, werd de MOA ook getest met striatale neuronen (21 DIV)18, met interessante resultaten in termen van signaalamplitude en de betrouwbaarheid van de opnames. Zoals te zien is in figuur 3D, zou de OCMFET neuronale veldpotentialen met opmerkelijke stabiliteit kunnen versterken, met signaal-ruisverhoudingen (SNRS) tot 3,2 (in hetzelfde bereik als die van SNR's verkregen met standaard MEAs25). De opname-opstelling bestond uit aangepaste meerkanaals elektronica voor de transistor biasing en de signaaluitlezing en conditionering. Elk kanaal voor de elektrische opname heeft een eerste trap bestaande uit een I/V-omvormer met een 1 MΩ feedbackweerstand en een 150 Hz-1,3 kHz banddoorgangsfilter met een spanningsversterking van 110. Voor alle gepresenteerde metingen waren de transistors bevooroordeeld met VDS = VGS = -1 V. De A/D-conversie en de datavisualisatie en -opslag werden uitgevoerd met behulp van een data-acquisitiebord (zie de Tabel met materialen). Alle meetsessies werden uitgevoerd in een kooi van Faraday om het elektrische omgevingsgeluid op het systeem te minimaliseren.
Zoals eerder vermeld, was het mogelijk om, door gebruik te maken van de eenvoudige fysieke functionalisatie die in het protocol wordt gepresenteerd, zeer gevoelige pH-sensoren met een supernerntiale respons voor te bereiden. Vanwege de gepresenteerde fabricagebenadering konden deze pH-apparaten worden geïntegreerd in een MOA en worden gebruikt om de lichte pH-variaties te volgen die worden veroorzaakt door de metabole activiteit van primaire hippocampale rattenneuronen26. In het bijzonder werd, zoals blijkt uit figuur 4, slechts één van de twee OCMFET's die zich toelegden op laagfrequente detectie selectief gefunctionaliseerd om de haalbaarheid van de aanpak aan te tonen. Deze selectieve functionalisatie maakte de evaluatie mogelijk van de respons van de twee OCMFETs op chemisch geïnduceerde metabole variaties: in het bijzonder kan een hoge metabole toestand worden verkregen met behulp van bicuculline (BIC), een remmer van GABA A-receptoren27, terwijl een lage metabole toestand kan worden geïnduceerd door de toevoeging van tetrodotoxine (TTX), dat uiteindelijk cellulaire dood veroorzaakt28 . De opname-opstelling bestond uit dezelfde aangepaste meerkanaalse elektronica die werd gebruikt voor de elektronische activiteitsmetingen.
In tegenstelling tot het vorige geval werden twee speciale kanalen gebruikt om de langzame variaties te registreren die worden geïnduceerd door de cellulaire metabole activiteit. Elk kanaal bestond uit een eenvoudige schakeling bestaande uit twee hoofdblokken: een I/V-converter met een 1 MΩ feedbackweerstand en een laagdoorlaatfilter met een afsnijfrequentie van 10 Hz. De transistors waren bevooroordeeld met VDS = VGS = -1 V, en alle metingen werden uitgevoerd in een kooi van Faraday om de impact van externe ruis op de opnames te minimaliseren (dit is een bijzonder belangrijk aspect gezien de lage stroomschommelingen veroorzaakt door de cellulaire metabole activiteit). Tijdens de experimenten werden de culturen in een laag gebufferd kweekmedium gehouden en werd het hele systeem in een gecontroleerde omgeving geplaatst (37 °C en een continue CO2/luchtflux). Zoals verwacht kon alleen de stroom van het pH-gevoelige OCMFET worden gemoduleerd door de toevoeging van 25 μM BIC. Dit werd verder bevestigd door de inductie van de huidige variatie door de overeenkomstige variatie van de cellulaire metabole activiteit.
Hetzelfde experiment werd herhaald na de toevoeging van 10 μM TTX, wat resulteerde in een geleidelijke vertraging van het cellulaire metabolisme. Na de toevoeging van de TTX vertoonden noch de pH-gevoelige OCMFET, noch de pH-ongevoelige enige respons, wat de werkzaamheid van de aanpak aantoonde. Deze resultaten tonen de effectiviteit van de voorgestelde functionalisatie en de relatieve stabiliteit ervan gedurende maximaal 2 weken. Een belangrijke conclusie die kan worden getrokken uit de voorgestelde experimenten (zowel de elektrische activiteit als de metabole activiteit) is dat het mogelijk is om verschillende soorten sensoren voor te bereiden door selectief verschillende OCMFETs binnen hetzelfde kweekgebied te functionaliseren. Dit aspect vertegenwoordigt een niet-triviale prestatie in biosensing voor cellulaire toepassingen, omdat het kunnen monitoren van verschillende parameters binnen dezelfde celcultuur cruciaal is voor een betere karakterisering van de complexiteit van die biologische systemen.
Figuur 1: Bovenaanzicht van een 16-kanaals MOA voor metabole en elektrische monitoring van elektroactieve cellen. Schaalbalk = 1 cm. Afkortingen: OCMFETs = organische lading-gemoduleerde veldeffecttransistoren; FG = drijvende poort; S/D = bron/afvoer; MOA = micro OCMFET array. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Belangrijkste fabricagestappen van een MOA voor metabole en elektrische monitoring van elektroactieve cellen. (A en B) De verdampte Ti-film is gemodelleerd met behulp van een standaard fotolithografisch proces om de drijvende poort van de OCMFETs voor te bereiden. (C) Afzetting van 15 nm paryleen C. Deze laag fungeert, samen met het inheemse Ti-oxide, als het poortdiëlektricum van de transistors. (D en E) De Paryleen C-laag is gemodelleerd met behulp van plasmazuurstofbehandeling. Een patroonfotoresistlaag wordt gebruikt om selectief de detectiegebieden voor de elektrische opnames en de zwevende poortcontacten bloot te leggen. (F) Patroonvorming van de Au-topcontacten, namelijk de bron, afvoer, controlepoort en drijvende poort terugcontact. Een zelfuitlijningstechniek wordt gebruikt om de elektrische prestaties van het apparaat te verbeteren. (G-I) Afzetting van de tweede laag Paryleen C op het detectiegebied van de OCMFETs voor monitoring van metabole activiteit. Na de blootstelling aan zuurstofplasma zal deze laag fungeren als het pH-gevoelige membraan (J). (K) Doorsnede van een volledige MOA (met materialen) na de afzetting van de organische halfgeleider (TIPS Pentaceen) en de positionering van de kweekkamer. Afkortingen: OCMFETs = organische lading-gemoduleerde veldeffecttransistoren; FG = drijvende poort; S/D = bron/afvoer; MOA = micro OCMFET array; CG = controlepoort; PET = polyethyleentereftalaat; Par C = Paryleen C; TIPS = 6,13-bis(triisopropylsilylethynyl) pentaceen; ABS = acrylonitril butadieen styreen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Cellulaire elektrische activiteitsregistraties met een MOA. (A) Een confluentcultuur van rat cardiomyocyten (8 DIV) die zich hechten aan het oppervlak van een MOA, gefixeerd na een opnamesessie en immunostained voor het sarcomerische eiwit, tropomyosine (bovenste inzet). Onderste inzet: voorbeeld van een enkel cardiomyocytensignaal gemeten met een OCMFET. Schaalbalk = 150 μm. (B) Chemische afstemming van de elektrische activiteit van een cardiomyocytencultuur. De activiteitsversnelling was het gevolg van de toevoeging van 100 mM noradrenaline, terwijl onderdrukking het gevolg was van de toevoeging van 100 mM verapamil. Links: kloppende frequentiemodulatie; rechts: statistieken over 5 OCMFETs-gemiddelde en standaarddeviatie: piek-telling op 4 min basaal (129 ± 4,6), noradrenaline-gemedieerde (280 ± 28,6) en verapamil-gemedieerde activiteit (15 ± 1,9). (C) Reconstructie van de voortplanting van een hartsignaal. Rechts: rasterplot van de spontane activiteit van de cultuur die de voortplanting van het signaal van site 14 naar site 41 aangeeft (rechts). (D) Actiepotentialen van striatale cellen van rattenembryo (21 DIV). Dit cijfer is gewijzigd van 18. Afkortingen: OCMFET = organic charge-modulated field-effect transistor; MOA = micro OCMFET array; NE = noradrenaline; VER = verapamil; DIV = dagen in vitro. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Metabole activiteit opnames met een MOA. Respons van de (A) pH-gevoelige en (B) pH-ongevoelige kanalen van een MOA op de toevoeging van 25 μM BIC voor en na de toevoeging van 10 μM TTX. Na de TTX-toevoeging wordt het gedrag van het pH-gevoelige kanaal vergelijkbaar met dat van het pH-ongevoelige kanaal. In het bijzonder kan er geen stroomvariatie worden waargenomen na de BIC-toevoeging als gevolg van de TTX-geïnduceerde cellulaire dood. (C) MOA voor metabole activiteitsregistraties. De pH-gevoelige en de pH-ongevoelige OCMFETs zijn respectievelijk groen en rood omlijnd. Inzet: gezonde hippocampusneuronen gekweekt op het apparaat na 15 DIV. Schaalbalk = 50 μm. Dit cijfer is gewijzigd van 26. Afkortingen: OCMFET = organic charge-modulated field-effect transistor; MOA = micro OCMFET array; BIC = bicuculline; TTX = tetrodotoxine; DIV = dagen in vitro. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Discussion
In tegenstelling tot eerdere methoden voor de fabricage van OCMFETs voor cellulaire toepassingen18,29, is de voorgestelde methode specifiek ontworpen om MOA's te bereiden die tegelijkertijd elektrische en metabole cellulaire activiteit kunnen detecteren. Bovendien heeft deze aanpak om pH-gevoeligheid te bereiken het voordeel dat het compatibel is met standaard fabricageprotocollen en geen chemische wijziging van het detectiegebied met zich meebrengt (dit aspect zorgt voor de biocompatibiliteit van het hele apparaat). De pH-gevoeligheid wordt bereikt met behulp van hetzelfde materiaal dat wordt gebruikt als een poort diëlektricum (d.w.z. de biocompatibele Paryleen C), waardoor deze aanpak snel en reproduceerbaar is.
Het eindresultaat van deze aanpak is een flexibel, transparant, goedkoop en multisensing organisch hulpmiddel voor in vitro cellulaire toepassingen. Het feit dat dit kan worden verkregen met behulp van een enkele transistorstructuur en een eenvoudige fysieke wijziging van het detectiegebied draagt bij aan de voordelen van het gebruik van organische elektronische materialen en methoden. Bovendien, omdat het transductieprincipe van het OCMFET niet strikt afhankelijk is van het specifieke halfgeleider- of FG-materiaal, kan het hele proces worden gewijzigd en opgeschaald afhankelijk van de specifieke toepassing.
Een kritisch aspect van de voorgestelde techniek houdt verband met de reproduceerbaarheid van de plasmaactiveringstechniek. Om consistente resultaten te verkrijgen, moeten zowel de Paryleen C-dikte als de etssnelheid worden gecontroleerd. Frequente kalibratie van het Parylene C-afzettingsproces en de plasmareiniger zijn absoluut noodzakelijk. Andere kritische aspecten, die ook bijdragen aan de reproduceerbaarheid van het proces, zijn de zorgvuldige behandeling van het apparaat en de afzetting van de organische halfgeleider. Hier werd een eenvoudige drop-casting techniek gebruikt, die intrinsiek reproduceerbaarheidsbeperkingen met zich meebrengt. Om deze problemen te minimaliseren, zoals beschreven in protocolstap 10.1, moet elke keer dezelfde hoeveelheid halfgeleideroplossing worden gebruikt en moet de oplosmiddelverdamping zoveel mogelijk worden gestandaardiseerd. Het handhaven van een constante temperatuur met behulp van een hete plaat en het bedekken van het substraat na elke druppelafzetting zal helpen bij het vertragen van het verdampingsproces. Om dit probleem verder te minimaliseren, kan de depositietechniek (bijvoorbeeld met behulp van een inkjetprintmethode) worden geschakeld30.
Een beperking van het voorgestelde protocol vloeit voort uit de aard van de functionalisering van het OCMFET voor pH-detectie. De stabiliteit van de pH-sensoren is beperkt tot enkele weken26. Het stabiliteitsvenster van de voorgestelde aanpak is echter voldoende groot om de standaard incubatietijden te dekken die nodig zijn voor neuronale cultuurgroei (2-3 weken). Andere soorten functionalisatie van het detectiegebied moeten worden overwogen voor langere experimenten. Het fabricageprotocol maakt gebruik van een speciaal achtercontact, waardoor elektrische toegang tot de FG's mogelijk is. Dit contact, dat tijdens de normale werking van het apparaat blijft zweven, kan worden gebruikt voor de elektrische karakterisering van het apparaat en de functionalisering van de detectiegebieden met behulp van verschillende technieken (bijv. Elektrodepositie).
Deze procedure is een handige manier om een apparaat met meerdere detecties voor te bereiden voor cellulaire toepassingen zonder dat er uitgebreide materialen of cleanroomfaciliteiten nodig zijn. Ondanks de prestatie- en stabiliteitsbeperkingen als gevolg van het gebruik van een organische halfgeleider en fysische (niet chemische) functionalisering van het detectiegebied, kunnen vergelijkbare benaderingen worden gebruikt om goedkope (en mogelijk wegwerpbare), mechanisch flexibele en optisch transparante sensoren en biosensoren voor te bereiden, die onderzoekers in cellulaire biologie, weefseltechnologie en neurowetenschappen kunnen voorzien van nieuwe gespecialiseerde hulpmiddelen voor het bestuderen van cellulaire systemen in vitro.
Disclosures
De auteurs hebben geen belangenconflicten te melden.
Acknowledgments
De auteurs erkennen de financiering van het Horizon 2020 onderzoeks- en innovatieprogramma van de Europese Unie onder subsidieovereenkomst nr. 882897-Search & Rescue-project en het PON-project "TEX-STYLE" ARS01_00996, PNR 2015-2020.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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. |
References
- Hubel, D. H. Tungsten microelectrode for recording from single units. Science. 125 (3247), 549-550 (1957).
- Verzeano, M., Negishi, K., Angeles, L. Neuronal activity in cortical and thalamic networks. A study with multiple microelectrodes. Journal of General Physiology. 43 (6), 177-195 (1960).
- Thomas, C. A. Jr, Springer, P. A., Loeb, G. E., Berwald-Netter, Y., Okun, L. M. A miniature microelectrode array to monitor the bioelectric activity of cultured cells. Experimental Cell Research. 74 (1), 61-66 (1972).
- Grattarola, M., Martinoia, S. Modeling the neuron-microtransducer junction: from extracellular to patch recording. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 40 (1), 35-41 (1993).
- Wallace, K., Strickland, J. D., Valdivia, P., Mundy, W. R., Shafer, T. J. A multiplexed assay for determination of neurotoxicant effects on spontaneous network activity and viability from microelectrode arrays. NeuroToxicology. 49, 79-85 (2015).
- Bergveld, P. Development, operation, and application of the tool for electrophysiology. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 19 (5), 342-351 (1972).
- Bergveld, P., Wiersma, J., Meertens, H. Extracellular potential recordings by means of a field effect transistor without gate metal, called OSFET. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 23 (2), 136-144 (1976).
- Fromherz, P., Offenhausser, A., Vetter, T., Weis, J. A neuron-silicon junction: a Retzius cell of the leech on an insulated-gate field-effect transistor. Science. 252 (5010), 1290-1293 (1991).
- Martinoia, S., et al. Development of ISFET array-based microsystems for bioelectrochemical measurements of cell populations. Biosensors and Bioelectronics. 16 (9-12), 1043-1050 (2001).
- Heer, F., et al. CMOS microelectrode array for the monitoring of electrogenic cells. Biosensors and Bioelectronics. 20 (2), 358-366 (2004).
- Berdondini, L., et al. Active pixel sensor array for high spatio-temporal resolution electrophysiological recordings from single cell to large scale neuronal networks. Lab on a Chip. 9 (18), 2644-2651 (2009).
- Maccione, A., et al. Multiscale functional connectivity estimation on low-density neuronal cultures recorded by high-density CMOS micro electrode arrays. Journal of Neuroscience Methods. 207 (2), 161-171 (2012).
- Kibler, A. B., Jamieson, B. G., Durand, D. M. A high aspect ratio microelectrode array for mapping neural activity in vitro. Journal of Neuroscience Methods. 204 (2), 296-305 (2012).
- Frega, M., Tedesco, M., Massobrio, P., Pesce, M., Martinoia, S. Network dynamics of 3D engineered neuronal cultures: a new experimental model for in-vitro electrophysiology. Scientific Reports. 4, 5489 (2014).
- Zuo, L., Yu, S., Briggs, C. A., Kantor, S., Pan, J. Y. Design and fabrication of a three-dimensional multi-electrode array for neuron electrophysiology. Journal of Biomechanical Engineering. 139 (12), (2017).
- Spanu, A., et al. A three-dimensional micro-electrode array for in-vitro neuronal interfacing. Journal of Neural Engineering. 17 (3), 036033 (2020).
- Spanu, A., Martines, L., Bonfiglio, A. Interfacing cells with organic transistors: a review of in vitro and in vivo applications. Lab on a Chip. 21 (5), 795-820 (2021).
- Spanu, A., et al. An organic transistor-based system for reference-less electrophysiological monitoring of excitable cells. Scientific Reports. 5, 8807 (2015).
- Viola, F. A., Spanu, A., Ricci, P. C., Bonfiglio, A., Cosseddu, P. Ultrathin, flexible and multimodal tactile sensors based on organic field-effect transistors. Scientific Reports. 8, 8073 (2018).
- Napoli, C., et al. Electronic detection of DNA hybridization by coupling organic field-effect transistor-based sensors and hairpin-shaped probes. Sensors. 18 (4), 990 (2018).
- Spanu, A., et al. A reference-less pH sensor based on an organic field effect transistor with tunable sensitivity. Organic Electronics. 48, 188-193 (2017).
- Lundgaard, I., et al. Direct neuronal glucose uptake heralds activity-dependent increases in cerebral metabolism. Nature Communications. 6, 6807 (2015).
- Zhang, Y. S., et al. Multisensor-integrated organs-on-chips platform for automated and continual in situ monitoring of organoid behaviors. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (12), 2293-2302 (2017).
- Yu, H., et al. A novel design of multifunctional integrated cell-based biosensors for simultaneously detecting cell acidification and extracellular potential. Biosensors and Bioelectronics. 24 (5), 1462-1468 (2009).
- Maccione, A., et al. A novel algorithm for precise identification of spikes in extracellularly recorded neuronal signals. Journal of Neuroscience Methods. 177 (1), 241-249 (2009).
- Spanu, A., Tedesco, M. T., Martines, L., Martinoia, S., Bonfiglio, A. An organic neurophysiological tool for neuronal metabolic activity monitoring. APL Bioengineering. 2 (4), 046105 (2018).
- Díaz-García, C. M., et al. Neuronal stimulation triggers neuronal glycolysis and not lactate uptake. Cell Metabolism. 26 (2), 361-374 (2017).
- Xie, Y., Dengler, K., Zacharias, E., Wilffert, B., Tegtmeier, F. Effects of the sodium channel blocker tetrodotoxin (TTX) on cellular ion homeostasis in rat brain subjected to complete ischemia. Brain Research. 652 (2), 216-224 (1994).
- Caboni, A., Orgiu, E., Barbaro, M., Bonfiglio, A. Flexible organic thin-film transistors for pH monitoring. IEEE Sensors Journal. 9 (12), 1963-1970 (2009).
- Fraboni, B., Bonfiglio, A., Basiricò, L. Inkjet printing of transparent, flexible, organic transistors. Thin Solid Films. 520, 1291-1294 (2011).
