यहां, हम इन विट्रो सेलुलर इंटरफेसिंग के लिए एक कार्बनिक चार्ज-मॉडुलित क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (OCMFET) -आधारित डिवाइस के निर्माण प्रोटोकॉल को प्रस्तुत करते हैं। डिवाइस, जिसे माइक्रो OCMFET सरणी कहा जाता है, एक लचीला, कम लागत वाला और संदर्भ-कम डिवाइस है, जो इलेक्ट्रोएक्टिव सेल संस्कृतियों की विद्युत और चयापचय गतिविधियों की निगरानी को सक्षम करेगा।
आधुनिक इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी को लगातार तेजी से परिष्कृत उपकरणों और सामग्रियों के समानांतर विकास द्वारा ईंधन दिया गया है। बदले में, इस क्षेत्र में खोजों ने एक आगे-पीछे की प्रक्रिया में तकनीकी प्रगति को प्रेरित किया है जो अंततः पिछले 50 वर्षों की प्रभावशाली उपलब्धियों को निर्धारित करता है। हालांकि, सेलुलर इंटरफेसिंग के लिए उपयोग किए जाने वाले सबसे अधिक नियोजित उपकरण (अर्थात्, ट्रांजिस्टर के आधार पर माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणियों और माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक डिवाइस) अभी भी कई सीमाएं पेश करते हैं जैसे कि उच्च लागत, सामग्री की कठोरता, और बाहरी संदर्भ इलेक्ट्रोड की उपस्थिति। इन मुद्दों को आंशिक रूप से दूर करने के लिए, कार्बनिक बायोइलेक्ट्रॉनिक्स नामक एक नए वैज्ञानिक क्षेत्र में विकास हुआ है, जिसके परिणामस्वरूप कम लागत, अधिक सुविधाजनक सामग्री और अभिनव निर्माण तकनीकों जैसे फायदे होते हैं।
सेल संस्कृतियों के साथ आसानी से इंटरफ़ेस करने के लिए पिछले दशक के दौरान कई दिलचस्प नए कार्बनिक उपकरणों का प्रस्ताव दिया गया है। यह पेपर कार्बनिक चार्ज-मॉडुलित क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (OCMFET) के आधार पर सेलुलर इंटरफेसिंग के लिए उपकरणों के निर्माण के लिए प्रोटोकॉल प्रस्तुत करता है। ये उपकरण, जिन्हें माइक्रो OCMFET सरणियों (MOAs) कहा जाता है, पारदर्शी, लचीले और संदर्भ-रहित उपकरण तैयार करने के लिए कार्बनिक इलेक्ट्रॉनिक्स के फायदों और OCMFET की अजीब विशेषताओं को जोड़ते हैं, जिसके साथ विट्रो में कार्डियोमायोसाइट्स और न्यूरॉन्स की विद्युत और चयापचय गतिविधियों दोनों की निगरानी करना संभव है, इस प्रकार इलेक्ट्रोजेनिक सेल मॉडल के मल्टीपैरामीट्रिक मूल्यांकन की अनुमति देता है।
इलेक्ट्रोएक्टिव कोशिकाओं की विवो निगरानी में, जैसे कि न्यूरॉन्स और कार्डियोमायोसाइट्स, मानव मस्तिष्क, कार्यात्मक कनेक्टिविटी अध्ययन, फार्माकोलॉजी और विष विज्ञान के लिए मौलिक अनुसंधान अनुप्रयोगों में एक वैध और शक्तिशाली दृष्टिकोण का प्रतिनिधित्व करता है। आमतौर पर इस तरह के अध्ययनों के लिए नियोजित उपकरण मुख्य रूप से माइक्रोइलेक्ट्रोड सरणियों (एमईए) 1,2,3,4,5 और तेजी से अधिक कुशल और शक्तिशाली क्षेत्र-प्रभाव उपकरणों (एफईडी) 6,7,8,9,10,11,12 पर आधारित होते हैं। . उपकरणों के ये दो परिवार न्यूरॉन्स और कार्डियोमायोसाइट्स की विद्युत गतिविधि की वास्तविक समय की निगरानी और उत्तेजना की अनुमति देते हैं और आमतौर पर मजबूती, उपयोग में आसानी और विश्वसनीयता की विशेषता होती है। ये विशेषताएं एमईए और एफईडी को इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल अनुप्रयोगों के लिए सोने का मानक बनाती हैं, वर्तमान में मानक सेलुलर संस्कृतियों, ऑर्गेनोटाइपिक मस्तिष्क स्लाइस और ट्राइडाइमेंशनल ऑर्गेनोइड्स 13,14,15,16 के साथ इंटरफ़ेस करने के लिए नियोजित हैं। उनके व्यापक उपयोग और उनकी प्रभावशाली विशेषताओं के बावजूद, एमईए और एफईडी कुछ सीमाएं पेश करते हैं जैसे कि उच्च लागत, सामग्री की कठोरता, और आमतौर पर भारी संदर्भ इलेक्ट्रोड की उपस्थिति, जिसे माप तरल वातावरण में रखा जाना है और उपकरणों के उचित संचालन के लिए आवश्यक है।
सेलुलर इंटरफेसिंग के लिए वैकल्पिक समाधानों का पता लगाने के लिए, पिछले दशक में कार्बनिक सामग्री और अभिनव निर्माण तकनीकों के आधार पर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के अध्ययन में बहुत प्रयास किए गए हैं। उपर्युक्त सीमाओं को संबोधित करने के लिए अध्ययन किए गए कई कार्बनिक उपकरणों में से, OCMFET नामक एक अजीब कार्बनिक ट्रांजिस्टर को हाल ही में MEAs और FEDs18 के लिए एक वैध विकल्प के रूप में प्रस्तावित किया गया है। कार्बनिक इलेक्ट्रॉनिक्स प्रौद्योगिकी द्वारा पेश की जाने वाली मानक विशेषताओं के अलावा, जैसे कि कम लागत वाली सामग्री और निर्माण तकनीक, इष्टतम यांत्रिक और रासायनिक गुण, ऑप्टिकल पारदर्शिता और जैव संगतता, OCMFET बाहरी संदर्भ इलेक्ट्रोड की आवश्यकता के बिना एक अल्ट्रा-उच्च चार्ज संवेदनशीलता (इसकी डबल-गेटेड संरचना के कारण) भी प्रदान करता है। इसके अलावा, इस कार्बनिक सेंसर में विभिन्न विश्लेषक / भौतिक मापदंडों को संवेदन करने की उल्लेखनीय क्षमता है, जो इसके संवेदन क्षेत्र के विशिष्ट कार्यात्मकता पर निर्भर करता है, जिसे ट्रांजिस्टर क्षेत्र 19,20 से अलग किया गया है। इन सभी सुविधाओं को सेलुलर संस्कृति के भीतर विभिन्न मापदंडों के अधिग्रहण के लिए आसानी से शोषण किया जा सकता है। विशेष रूप से, न्यूरोनल / कार्डियक इलेक्ट्रिकल गतिविधि का पता लगाने में सक्षम होने के अलावा, सेलुलर चयापचय गतिविधि के कारण मामूली स्थानीय पीएच विविधताओं की मज़बूती से निगरानी करने के लिए एक साधारण शारीरिक कार्यात्मकता 21 का उपयोग करके OCMFET की अजीब डबल-गेटेड संरचना द्वारा पेश की गई अल्ट्रा-उच्च पीएच संवेदनशीलता का शोषण करना भी संभव है।
इन विट्रो सेल बायोसेंसिंग में, सेलुलर चयापचय गतिविधि की निगरानी संस्कृति की स्थिति का एक शक्तिशाली संकेतक है और इसका उपयोग विभिन्न उत्तेजनाओं के लिए सेलुलर प्रतिक्रिया का आकलन करने के लिए किया जा सकता है, जैसे कि दवा प्रशासन और विद्युत उत्तेजना22,23। इसके अलावा, तंत्रिका अनुप्रयोगों के विशिष्ट मामले में, विद्युत और चयापचय दोनों गतिविधियों की निगरानी करना बहुत रुचि का है, विशेष रूप से फार्माकोलॉजी और विष विज्ञान 24 में। आधुनिक इन विट्रो इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी की आवश्यकताओं को आसानी से संबोधित करने के इरादे से, जबकि एक ही समय में OCMFET के सभी लाभों की पेशकश करते हुए, माइक्रो OCMFET Array (MOA) नामक एक उपकरण को हाल ही में पेश किया गया है। एमओए विशेष संवेदन क्षेत्रों के साथ एक ओसीएमएफईटी-आधारित सरणी है जो विशेष रूप से इन विट्रो सेलुलर इंटरफेसिंग के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो इलेक्ट्रोजेनिक कोशिकाओं की संस्कृतियों के मल्टीपैरामीट्रिक विश्लेषण को सक्षम करता है। विशेष रूप से, दो एमओए चैनलों में उनकी संवेदनशीलता को अधिकतम करने के लिए बड़े संवेदन क्षेत्र होते हैं और रुचि के विशिष्ट मापदंडों की निगरानी के लिए चुनिंदा रूप से कार्यात्मक किया जा सकता है, जैसे कि संस्कृति माध्यम के पीएच विविधताएं। संरचना में अन्य OCMFETs बाह्य कोशिकीय विद्युत गतिविधि सेंसर के रूप में कार्य करते हैं। चित्र 1 एक 16 चैनल MOA की संरचना को दर्शाता है। यह क्षमता, एक बाहरी संदर्भ इलेक्ट्रोड की अनुपस्थिति के साथ संयुक्त, एमओए को इन विट्रो अनुप्रयोगों के लिए एक बहुत ही दिलचस्प उपकरण बनाती है। यह काम न्यूरॉन्स और कार्डियोमायोसाइट्स की विद्युत और चयापचय गतिविधियों के इन विट्रो डिटेक्शन के लिए एक मल्टीसेंसिंग एमओए के चरण-दर-चरण निर्माण प्रोटोकॉल को प्रस्तुत करता है। चित्रा 2 मुख्य निर्माण चरणों, उपयोग की जाने वाली सामग्रियों और डिवाइस संरचना को दर्शाता है।
सेलुलर अनुप्रयोगों 18,29 के लिए OCMFETs के निर्माण के लिए पिछले तरीकों के विपरीत, प्रस्तावित विधि विशेष रूप से MOAs तैयार करने के लिए डिज़ाइन की गई है जो एक साथ विद्युत और चयापचय सेलुलर गतिविधि का पता लगा सकती है। इसके अलावा, पीएच संवेदनशीलता प्राप्त करने के लिए इस दृष्टिकोण में मानक निर्माण प्रोटोकॉल के साथ संगत होने का लाभ है और इसमें संवेदन क्षेत्र का कोई रासायनिक संशोधन शामिल नहीं है (यह पहलू पूरे डिवाइस की जैव संगतता सुनिश्चित करता है)। पीएच संवेदनशीलता एक गेट ढांकता हुआ (यानी, biocompatible Parylene सी) के रूप में इस्तेमाल की जाने वाली एक ही सामग्री का उपयोग करके प्राप्त की जाती है, जिससे यह दृष्टिकोण तेज और पुन: प्रस्तुत करने योग्य हो जाता है।
इस दृष्टिकोण का अंतिम परिणाम इन विट्रो सेलुलर अनुप्रयोगों के लिए एक लचीला, पारदर्शी, कम लागत वाला, और बहु-संवेदी कार्बनिक उपकरण है। तथ्य यह है कि यह एक एकल ट्रांजिस्टर संरचना का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है और संवेदन क्षेत्र का एक सरल भौतिक संशोधन कार्बनिक इलेक्ट्रॉनिक सामग्री और विधियों के उपयोग से पेश किए गए लाभों को जोड़ता है। इसके अलावा, क्योंकि OCMFET का ट्रांसडक्शन सिद्धांत विशिष्ट अर्धचालक या FG सामग्री पर सख्ती से निर्भर नहीं करता है, इसलिए पूरी प्रक्रिया को विशिष्ट अनुप्रयोग के आधार पर संशोधित और बढ़ाया जा सकता है।
प्रस्तावित तकनीक का एक महत्वपूर्ण पहलू प्लाज्मा सक्रियण तकनीक की पुनरुत्पादकता से संबंधित है। सुसंगत परिणाम प्राप्त करने के लिए, दोनों Parylene सी मोटाई और इसकी नक़्क़ाशी दर को नियंत्रित किया जाना चाहिए। Parylene सी जमाव प्रक्रिया और प्लाज्मा क्लीनर के लगातार अंशांकन बिल्कुल आवश्यक हैं. अन्य महत्वपूर्ण पहलू, जो प्रक्रिया की पुनरुत्पादकता में भी योगदान करते हैं, डिवाइस की सावधानीपूर्वक हैंडलिंग और कार्बनिक अर्धचालक का जमाव हैं। यहां एक सरल ड्रॉप-कास्टिंग तकनीक का उपयोग किया गया था, जो आंतरिक रूप से पुनरुत्पादन सीमाओं को जन्म देता है। उन मुद्दों को कम करने के लिए, जैसा कि प्रोटोकॉल चरण 10.1 में वर्णित है, अर्धचालक समाधान की समान मात्रा का उपयोग हर बार किया जाना चाहिए, और विलायक वाष्पीकरण को यथासंभव मानकीकृत किया जाना चाहिए। एक गर्म प्लेट का उपयोग करके एक स्थिर तापमान रखने और प्रत्येक बूंद जमाव के बाद सब्सट्रेट को कवर करने से वाष्पीकरण प्रक्रिया को धीमा करने में मदद मिलेगी। इस समस्या को और कम करने के लिए, निक्षेपण तकनीक (उदाहरण के लिए, एक इंकजेट मुद्रण विधि का उपयोग करके) को स्विच किया जा सकता है30।
प्रस्तावित प्रोटोकॉल की एक सीमा पीएच संवेदन के लिए OCMFET के कार्यात्मकता की प्रकृति से उपजी है। पीएच सेंसर की स्थिरता कुछ हफ्तों 26 तक सीमित है। हालांकि, प्रस्तावित दृष्टिकोण की स्थिरता खिड़की न्यूरोनल संस्कृति के विकास (2-3 सप्ताह) के लिए आवश्यक मानक इनक्यूबेशन समय को कवर करने के लिए पर्याप्त रूप से बड़ी है। अन्य प्रकार के संवेदन क्षेत्र कार्यात्मकता को लंबे समय तक प्रयोगों के लिए माना जाना चाहिए। निर्माण प्रोटोकॉल एक समर्पित वापस संपर्क का उपयोग करता है, जिससे एफजी तक विद्युत पहुंच की अनुमति मिलती है। यह संपर्क, जिसे डिवाइस के सामान्य संचालन के दौरान तैरते हुए छोड़ दिया जाता है, को डिवाइस के विद्युत लक्षण वर्णन और विभिन्न तकनीकों (जैसे, इलेक्ट्रोडपोजिशन) का उपयोग करके संवेदन क्षेत्रों के कार्यात्मकता के लिए शोषण किया जा सकता है।
यह प्रक्रिया विशाल सामग्री या क्लीनरूम सुविधाओं की आवश्यकता के बिना सेलुलर अनुप्रयोगों के लिए एक बहु-संवेदन डिवाइस तैयार करने के लिए एक सुविधाजनक तरीका का प्रतिनिधित्व करती है। संवेदन क्षेत्र के एक कार्बनिक अर्धचालक और भौतिक (रासायनिक नहीं) कार्यात्मकता के रोजगार के कारण प्रदर्शन और स्थिरता सीमाओं के बावजूद, इसी तरह के दृष्टिकोण का उपयोग कम लागत (और संभावित रूप से डिस्पोजेबल), यांत्रिक रूप से लचीला, और ऑप्टिकल रूप से पारदर्शी सेंसर और बायोसेंसर तैयार करने के लिए किया जा सकता है, जो विट्रो में सेलुलर सिस्टम का अध्ययन करने के लिए उपन्यास विशेष उपकरणों के साथ सेलुलर जीव विज्ञान, ऊतक इंजीनियरिंग और तंत्रिका विज्ञान में शोधकर्ताओं को प्रदान कर सकते हैं।
The authors have nothing to disclose.
लेखक अनुदान समझौते संख्या 882897-खोज और बचाव परियोजना और पोन परियोजना “TEX-STYLE” ARS01_00996, PNR 2015-2020 के तहत यूरोपीय संघ के क्षितिज 2020 अनुसंधान और नवाचार कार्यक्रम से धन को स्वीकार करते हैं।
3-(Trimethoxysilyl)propyl methacrylate | Sigma Aldrich | 440159 | |
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ABS filament | |||
Anisole | Sigma Aldrich | 296295 | |
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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. |