오르간

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8062(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

조직 미세생리학의 지속적인 모니터링은 체외 약물 스크리닝 및 질병 모델링을 위한 OoC(장기 온 칩) 접근 방식의 핵심 기능입니다. 통합 감지 장치는 미세 환경 모니터링에 특히 편리합니다. 그러나 OoC 장치는 본질적으로 작은 크기, 일반적으로 사용되는 재료의 특성, 감지 장치를 지원하는 데 필요한 외부 하드웨어 설정으로 인해 민감한 시험관 내 및 실시간 측정이 어렵습니다. 여기서 우리는 감지 영역에서 폴리머의 투명성과 생체 적합성을 포함하고 본질적으로 우수한 전기적 특성과 실리콘의 활성 전자 장치를 수용하는 능력을 갖춘 실리콘-폴리머 하이브리드 OoC 장치를 제안합니다. 이 다중 모드 장치에는 두 개의 감지 장치가 포함되어 있습니다. 첫 번째 장치는 감지 영역의 pH 변화를 모니터링하는 데 사용되는 플로팅 게이트 전계 효과 트랜지스터(FG-FET)로 구성됩니다. FG-FET의 임계 전압은 용량 결합 게이트와 감지 전극 역할을 하는 플로팅 게이트 확장에 근접한 전하 농도의 변화에 ​​의해 조절됩니다. 두 번째 장치는 전기적으로 활성인 세포의 활동 전위를 모니터링하기 위해 FG의 확장을 미세 전극으로 사용합니다. 칩의 레이아웃과 패키징은 전기생리학 실험실에서 일반적으로 사용되는 다중 전극 어레이 측정 설정과 호환됩니다. 다기능 감지는 유도만능줄기세포 유래 피질 뉴런의 성장을 모니터링함으로써 입증됩니다. 당사의 다중 모드 센서는 미래의 OoC 플랫폼을 위해 동일한 장치에서 다양한 생리학적 관련 매개변수를 결합하여 모니터링하는 데 있어 획기적인 이정표입니다.

OoC(Organ-on-Chip)는 체외 장기의 미세 생리학적 환경을 모방하는 것을 목표로 하는 동적 조직 배양 장치입니다. 이는 질병 모델링의 관련성과 약물 개발 효율성을 높이기 위해 사용되었습니다1. 미세유체를 칩에 통합하면 세포 독성 모니터링3 및 종양 진단4 등에 중요한 세포-화학 제제 분석2 분야가 선도됩니다. 그러나 칩의 장기 생리학 측면을 요약할 때 조직에 가해지는 기계적 힘, 전기 활성 세포 유형 간의 전기생리학적 신호 및 세포외 기질의 생물학적 신호 모니터링과 같은 여러 측면을 고려해야 합니다. OoC의 이러한 측면은 시스템의 신뢰성과 생리학적 관련성을 향상시키는 능력을 가지고 있습니다5. 이러한 점에서 최종 광학 라벨링 기술 없이 세포 배양에서 생물학적 신호를 지속적으로 실시간 모니터링하는 것이 중요합니다. 따라서 실시간 측정을 위해 여러 센서를 OoC에 통합하는 것이 표준이 되고 있으며, 특히 pH 또는 산소 수준6과 같은 환경 단서의 경우 전기 화학적 감지가 특히 편리합니다. 따라서 감지 장치의 성능이 중요합니다. 외부 회로가 필요 없이 출력 신호의 증폭을 높이기 위해 FET(전계 효과 트랜지스터)가 전기 화학적 센서로 구현되어 생화학 관련 정보를 추출합니다7. 이온에 민감한 FET(ISFET)의 경우처럼 트랜지스터 전극의 코팅에 따라 특정 분석물질에 대한 선택성이 입증되었습니다. ISFET는 전하 변화를 감지하기 위해 50년 넘게 사용되어 왔습니다8. 그러나 ISFET에는 일반적으로 외부의 부피가 큰 기준 전극이 필요했는데, 이는 본질적으로 작은 크기의 OoC 장치에 거의 통합될 수 없습니다. 또한 기준 전극은 일반적으로 Ag/AgCl을 기반으로 하며 근접한 전하 변화로 인해 채널이 '꺼질' 수 있습니다9. 더욱이, FET 기반 센서는 일반적으로 불투명 기판(예: 실리콘)에 제조되므로 OoC 장치10에 사용하기에 부적합합니다.