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Bioengineering

इन विट्रो माइक्रो कार्बनिक चार्ज-मॉडुलित क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर सरणियों द्वारा Multiparametric सेलुलर विश्लेषण

Published: September 20, 2021 doi: 10.3791/62907
Automatic Translation
1, 1
1Department of Electrical and Electronic Engineering, University of Cagliari

Summary

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।

Abstract

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।

Introduction

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।

Protocol

जानवरों की देखभाल और उपयोग के लिए सभी लागू अंतरराष्ट्रीय, राष्ट्रीय और / या संस्थागत दिशानिर्देशों का पालन किया गया था। परियोजना के लिए जानवरों की संख्या को कम करने और उनकी पीड़ा को कम करने के लिए सभी प्रयास किए गए थे।

1. विकासशील समाधान की तैयारी, नक़्क़ाशी समाधान, कार्बनिक अर्धचालक समाधान, और फोटोलिथोग्राफिक मास्क

  1. 175 mM की एकाग्रता पर विआयनीकृत पानी में NaOH छर्रों को पतला करके विकासशील समाधान तैयार करें।
    नोट: यह एक exothermic प्रतिक्रिया है। यदि एक प्लास्टिक कंटेनर का उपयोग किया जाता है, तो कंटेनर को तब तक उत्तेजित करते रहें जब तक कि सभी छर्रों को पूरी तरह से भंग न कर दिया जाए।
  2. विआयनीकृत पानी में हाइड्रोफ्लोरिक एसिड (एचएफ) को पतला करके टाइटेनियम नक़्क़ाशी समाधान तैयार करें (केंद्रित 48% एचएफ का 1 हिस्सा, 49 भागों विआयनीकृत पानी)।
    सावधानी: हाइड्रोफ्लोरिक एसिड आसानी से त्वचा में प्रवेश कर सकता है, जिससे गहरी ऊतक परतों को गंभीर नुकसान होता है। ऊतक विनाश को रोकने के लिए एचएफ का तेजी से तटस्थीकरण आवश्यक है, जो दिनों तक जारी रह सकता है और इसके परिणामस्वरूप गंभीर चोट या यहां तक कि मृत्यु भी हो सकती है। एचएफ से जुड़े जोखिम एकाग्रता और एसिड के साथ संपर्क की अवधि पर निर्भर करते हैं। केवल एक चेहरा ढाल का उपयोग कर एक धुएं हुड के नीचे का उपयोग करें. डबल gloving भी दृढ़ता से सिफारिश की है.
  3. आयोडीन, पोटेशियम आयोडाइड, और विआयनीकृत पानी को मिलाकर सोने की नक़्क़ाशी समाधान तैयार करें (250 ग्राम समाधान के लिए, 200 मिलीलीटर विआयनीकृत पानी, 20 ग्राम केआई, 5 ग्राम आई 2 का उपयोग करें)। समाधान को कमरे के तापमान पर 1 घंटे के लिए हिलाएं और उपयोग करने से पहले इसे रात भर आराम करने दें।
  4. एनिसोल (वजन में 1%) में 6,13-bis (triisopropylsilylethynyl) पेंटासीन (TIPS Pentacene) को भंग करके और 80 डिग्री सेल्सियस पर एक गर्म प्लेट पर 2 घंटे के लिए धीरे-धीरे हिलाते हुए अर्धचालक समाधान तैयार करें।
    नोट: इस समाधान को उत्तेजित करते रहें। एम्बर ग्लास शीशियों का उपयोग करें और / या उन्हें कम रोशनी की स्थिति में स्टोर करें।
  5. एक वेक्टर ग्राफिक्स सॉफ्टवेयर के साथ वांछित फोटोलिथोग्राफिक मास्क सेट तैयार करें। पूरी प्रक्रिया के लिए 5 मास्क तैयार करें: फ्लोटिंग गेट्स (एफजी) के पैटर्निंग के लिए मास्क; vias और electrophysiological रिकॉर्डिंग के लिए संवेदन क्षेत्रों के उद्घाटन के लिए मुखौटा; स्व-संरेखण प्रक्रिया के लिए मुखौटा; स्रोत, नाली और नियंत्रण गेट शीर्ष संपर्क के patterning के लिए मुखौटा; और पीएच चैनलों के प्लाज्मा सक्रियण के लिए मुखौटा.
    नोट: आवश्यक रिज़ॉल्यूशन और विशिष्ट फोटोलिथोग्राफिक सेटअप के आधार पर, विभिन्न प्रकार के मास्क का उपयोग किया जा सकता है। प्रस्तावित उपकरणों के मामले में (जिसमें 40 μm का अधिकतम पार्श्व रिज़ॉल्यूशन है), सरल प्लास्टिक लचीले मास्क को स्थानीय फोटोकॉपी की दुकान पर खरीदा गया है।

2. सब्सट्रेट चयन और तैयारी

  1. एक प्राचीन पीईटी शीट से 250 μm polyethylene terephthalate (PET) के एक 6 x 6 सेमी 2 वर्ग में कटौती करें।
    नोट: अंतिम डिवाइस की तुलना में थोड़ा बड़ा सब्सट्रेट के साथ शुरू करें ताकि इसे नुकसान पहुंचाए बिना मानक प्रयोगशाला चिमटी के साथ हेरफेर की अनुमति देने के लिए व्यापक पर्याप्त मार्जिन हो।
  2. गहरे खांचे और खरोंच की उपस्थिति को बाहर करने के लिए ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के साथ सब्सट्रेट का निरीक्षण करें। ध्यान से कम खरोंच substrates का चयन करें के रूप में बड़ी खामियों अंतिम डिवाइस की विफलता के लिए नेतृत्व कर सकते हैं.
  3. एसीटोन, आइसोप्रोपाइल अल्कोहल और विआयनीकृत पानी (इस क्रम में) के साथ पीईटी सब्सट्रेट्स को कुल्ला करें और नाइट्रोजन की धाराओं का उपयोग करके उन्हें सूखा दें। साफ प्लास्टिक पेट्री व्यंजन / कंटेनरों में substrates स्टोर.

3. FG: टाइटेनियम जमाव

  1. प्लाज्मा ऑक्सीजन (100 डब्ल्यू पर 30 एस) के साथ सब्सट्रेट को पूर्व-साफ करें और उन्हें थर्मल बाष्पीकरणकर्ता के वैक्यूम चैंबर के अंदर सब्सट्रेट धारक पर रखें।
  2. क्रूसिबल में टाइटेनियम के 60 मिलीग्राम रखें, शटर को बंद करें, और वाष्पीकरण कक्ष को तब तक पंप करें जब तक कि यह 10-6 टोर से कम वैक्यूम स्तर तक न पहुंच जाए। वाष्पीकरण की शक्ति को बढ़ाएं जब तक कि क्रूसिबल लाल नहीं हो जाता है और 30 सेकंड की प्रतीक्षा करता है। शटर खोलें, शक्ति को 60% तक बढ़ाएं (या जब तक क्रूसिबल उज्ज्वल सफेद नहीं चमकता है), और 60 सेकंड तक प्रतीक्षा करें। शटर बंद करें और बिजली को बंद कर दें।
  3. वाष्पीकरण से substrates निकालें; एसीटोन, आइसोप्रोपाइल अल्कोहल और विआयनीकृत पानी का उपयोग करके उन्हें साफ करें; और नाइट्रोजन की धाराओं का उपयोग करके उन्हें सुखाएं। टाइटेनियम की सतह को थोड़ा ऑक्सीकरण करने के लिए एक दूसरा ऑक्सीजन प्लाज्मा उपचार (200 डब्ल्यू पर 60 एस) करें।

4. FG पैटर्निंग

  1. एक धुएं हुड के अंदर रखे गए स्पिन कोटर पर एक समय में एक सब्सट्रेट रखें। एक डिस्पोजेबल प्लास्टिक पिपेट का उपयोग करके सब्सट्रेट पर फोटोरेसिस्ट के 4 एमएल जमा करें। एक 2 μm मोटी photoresist परत प्राप्त करने के लिए निम्नलिखित स्पिन कोटिंग पैरामीटर का उपयोग करें: स्पिन गति: 3000 rpm; स्पिन समय: 45 s; त्वरण समय: 0.5 s; मंदी का समय: 0.5 s.
  2. एक गर्म प्लेट (5 मिनट के लिए 70 डिग्री सेल्सियस) पर सब्सट्रेट रखकर फोटोरेसिस्ट को नरम बेक करें। सीधे प्रकाश जोखिम से बचने के लिए एक एल्यूमीनियम पन्नी लपेटे पेट्री डिश / प्लास्टिक कंटेनर के अंदर सब्सट्रेट स्टोर करें।
    नोट: सब्सट्रेट विरूपण को रोकने के लिए सुझाए गए बेक तापमान (50 s के लिए 100 °C) से बचें। हालांकि, लंबे समय तक कम तापमान पर बेकिंग अच्छे परिणाम सुनिश्चित करता है।
  3. डिवाइस को एक ब्रोमोग्राफ में रखें और सब्सट्रेट पर वांछित एफजी लेआउट के साथ प्लास्टिक फोटोलिथोग्राफिक मास्क की स्थिति बनाएं। 1 मिनट के लिए शीर्ष से पराबैंगनी (यूवी) प्रकाश को उजागर करें, और सावधानीपूर्वक मास्क को हटा दें, इसे खरोंचने से बचने के लिए सब्सट्रेट पर मुखौटा के पार्श्व आंदोलनों को कम करने के लिए ध्यान रखें।
  4. विकासशील समाधान (चरण 1.1) से भरे एक ग्लास कंटेनर में 5 एस के लिए सब्सट्रेट को डुबोएं। इसे जल्दी से विआयनीकृत पानी में कुल्ला करें और इसे नाइट्रोजन के नीचे सुखा लें। सब्सट्रेट में अविकसित / अतिविकसित धब्बों की तलाश करने के लिए एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप का उपयोग करें। अल्पविकास के मामले में समाधान विकसित करने में सब्सट्रेट के विसर्जन को दोहराएं।
  5. 15 s के लिए टाइटेनियम नक़्क़ाशी समाधान (चरण 1.2) में इसे डुबोकर उजागर टाइटेनियम को खोदना, इसे विआयनीकृत पानी से कुल्ला करें, और नाइट्रोजन का उपयोग करके इसे सूखा दें। ऑप्टिकल रूप से सब्सट्रेट का निरीक्षण करें और एसीटोन का उपयोग करके फोटोरेसिस्ट को हटा दें। आइसोप्रोपाइल अल्कोहल और विआयनीकृत पानी के साथ सब्सट्रेट को कुल्ला करें, और इसे नाइट्रोजन के साथ सुखाएं।

5. गेट ढांकता हुआ जमाव

  1. एक प्रयोगशाला पोंछे का उपयोग करके जमा कक्ष की दीवारों पर आसंजन प्रमोटर (silane - 3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate) के 2 मिलीलीटर वितरित करके Parylene कोटर के जमाव कक्ष तैयार करें। Parylene सी डिमर के 300 मिलीग्राम (150 एनएम की अंतिम मोटाई के अनुरूप) Parylene कोटर पर रखें। निम्न दबाव मान को 7 mbar और उच्च दबाव मान को 10 mbar पर सेट करें. जमाव के बाद, एसीटोन, आइसोप्रोपिल अल्कोहल और विआयनीकृत पानी के साथ सब्सट्रेट को साफ करें, और उन्हें नाइट्रोजन के साथ सुखाएं।

6. विद्युत गतिविधि रिकॉर्डिंग और VIAS के गठन के लिए OCMFET के संवेदन क्षेत्रों के उद्घाटन FGs के पीछे का उपयोग करने के लिए

  1. चरण 4.1 और 4.2 के समान मापदंडों का उपयोग करके सब्सट्रेट पर फोटोरेसिस्ट जमा करें।
  2. डिवाइस को एक ब्रोमोग्राफ में रखें और प्लास्टिक फोटोलिथोग्राफिक मास्क को थ्रेस के लिए सब्सट्रेट पर रखें (संवेदन क्षेत्रों पर 50 μm के व्यास के साथ परिपत्र उद्घाटन और संवेदन क्षेत्रों से दूर FGs पर 100 x 100 μm2 उद्घाटन ( चित्रा 1 और चित्रा 2 में FGs के पीछे के संपर्क के रूप में संदर्भित किया जाता है)) संरेखण परिशुद्धता में सुधार करने के लिए एक स्टीरियोस्कोपिक माइक्रोस्कोप के तहत। 1 मिनट के लिए शीर्ष से यूवी प्रकाश को उजागर करें, और मास्क को सावधानीपूर्वक हटा दें, इसे खरोंचने से बचने के लिए सब्सट्रेट पर मुखौटा के पार्श्व आंदोलनों को कम करने के लिए ध्यान रखें।
    नोट: संवेदन क्षेत्र से दूर FGs के पक्ष में vias ( चित्रा 1 और चित्रा 2 में FGs के वापस संपर्क के रूप में दिखाया गया है) ट्रांजिस्टर के लक्षण वर्णन के दौरान संपर्क के लिए आवश्यक हैं। इसके अलावा, एफजी तक विद्युत पहुंच होना विभिन्न प्रकार के कार्यात्मकता (जैसे, इलेक्ट्रोडपोजिशन) के लिए बहुत उपयोगी हो सकता है।
  3. पहले चरण 4.4 में वर्णित के रूप में photoresist विकसित करें। पैटर्न वाले फोटोरेसिस्ट के साथ सब्सट्रेट को बेनकाब करें (जो यहां मास्क के रूप में कार्य करता है) ऑक्सीजन प्लाज्मा (200 डब्ल्यू पर 180 एस) को संवेदन क्षेत्रों से पेरिलीन सी को हटाने के लिए।
    नोट: 200 W पर एक आइसोट्रोपिक प्लाज्मा क्लीनर में Parylene C की नक़्क़ाशी दर लगभग 90 nm / मिनट है। संवेदन क्षेत्रों को और अधिक साफ करने के लिए एक मामूली ओवर-एच किया जाता है। इस प्रक्रिया के दौरान फोटोरेसिस्ट को भी उकेरा जाता है। हालांकि, इसकी मोटाई (2 μm) पैरिलीन सी की तुलना में बहुत अधिक है।
  4. 10 s के लिए अल्ट्रासोनिक स्नान के अंदर एसीटोन से भरा एक ग्लास कंटेनर में substrates जगह photoresist पूरी तरह से हटाने के लिए। एसीटोन, आइसोप्रोपाइल अल्कोहल और पानी के साथ सब्सट्रेट्स को कुल्ला करें और उन्हें नाइट्रोजन के साथ सुखाएं।
    नोट: एसिटोन के साथ सब्सट्रेट्स को धोने के बजाय sonication का उपयोग करना संवेदन क्षेत्रों की सतह पर पेरिलीन सी टुकड़ों के अवांछित तह और फिर से जमा होने को रोकने के लिए महत्वपूर्ण है।

7. FG के साथ स्रोत और नाली के आत्म संरेखण

  1. चरण 4.1 और 4.2 के समान मापदंडों का उपयोग करके सब्सट्रेट पर फोटोरेसिस्ट जमा करें। डिवाइस को एक ब्रोमोग्राफ में रखें और सब्सट्रेट पर एक प्लास्टिक फोटोलिथोग्राफिक मास्क को सरल काले आयतों के साथ रखें जो ट्रांजिस्टर के क्षेत्रों को पूरी तरह से कवर करता है। ऊपर और नीचे दोनों से 1 मिनट के लिए यूवी प्रकाश को उजागर करें, और मास्क को सावधानीपूर्वक हटा दें, इसे खरोंचने से बचने के लिए सब्सट्रेट पर मुखौटा के पार्श्व आंदोलनों को कम करने के लिए ध्यान रखें।
    नोट: डबल-साइडेड एक्सपोजर के साथ, एफजी नीचे एक्सपोजर के संबंध में फोटोलिथोग्राफिक मास्क के रूप में कार्य करते हैं, जबकि शीर्ष मुखौटा की उपस्थिति यह सुनिश्चित करती है कि ट्रांजिस्टर के चैनल पर मौजूद केवल फोटोरेसिस्ट अप्रकाशित रहता है।
  2. पहले चरण 4.4 में वर्णित के रूप में photoresist विकसित करें।

8. सोने के जमाव, चैनल गठन, और स्रोतों, नालियों, और नियंत्रण द्वारों के patterning

  1. एक कोमल प्लाज्मा उपचार (30 डब्ल्यू पर 30 एस) के साथ substrates साफ करने के लिए Parylene सी पर धातु के आसंजन को बढ़ावा देने के लिए और थर्मल बाष्पीकरणकर्ता के वैक्यूम कक्ष के अंदर सब्सट्रेट धारक पर उन्हें जगह.
  2. क्रूसिबल में 30 मिलीग्राम सोना रखें, शटर को बंद करें, और वाष्पीकरण कक्ष को तब तक पंप करें जब तक कि यह 10-5 टोर तक न पहुंच जाए। वाष्पीकरण की शक्ति को बढ़ाएं जब तक कि क्रूसिबल लाल नहीं हो जाता है और 30 सेकंड की प्रतीक्षा करता है। शटर खोलें, बिजली को 40% तक बढ़ाएं (या जब तक क्रूसिबल उज्ज्वल सफेद नहीं हो जाता), 60 सेकंड तक प्रतीक्षा करें, शटर को बंद करें, और बिजली को बंद करें।
  3. 10 s के लिए अल्ट्रासोनिक स्नान के अंदर एक एसीटोन कंटेनर में substrates जगह photoresist बंद उठाने के लिए, इस प्रकार ट्रांजिस्टर 'चैनल से सोने को हटाने. एसीटोन, आइसोप्रोपाइल अल्कोहल और पानी के साथ सब्सट्रेट्स को कुल्ला करें और उन्हें नाइट्रोजन के साथ सुखाएं। चरण 4.1 और 4.2 के समान मापदंडों का उपयोग करके सब्सट्रेट पर फोटोरेसिस्ट जमा करें।
  4. डिवाइस को एक ब्रोमोग्राफ में रखें और वांछित स्रोतों, नालियों और नियंत्रण गेट लेआउट के साथ एक प्लास्टिक फोटोलिथोग्राफिक मास्क सब्सट्रेट पर स्थिति दें। शीर्ष से 1 मिनट के लिए यूवी प्रकाश को उजागर करें, और मास्क को सावधानीपूर्वक हटा दें, इसे खरोंचने से बचने के लिए सब्सट्रेट पर मुखौटा के पार्श्व आंदोलनों को कम करने के लिए ध्यान रखें।
  5. चरण 4.4 में वर्णित के रूप में photoresist विकसित करें। 10 s के लिए सोने नक़्क़ाशी समाधान (चरण 1.3) में डुबोकर उजागर सोने को खोदना, इसे विआयनीकृत पानी के साथ कुल्ला, और नाइट्रोजन का उपयोग करके इसे सूखा दें। ऑप्टिकल रूप से सब्सट्रेट का निरीक्षण करें और एसीटोन का उपयोग करके फोटोरेसिस्ट को हटा दें। आइसोप्रोपाइल अल्कोहल और विआयनीकृत पानी से कुल्ला करें और इसे नाइट्रोजन के साथ सुखाएं।

9. जमाव और पीएच संवेदन के लिए Parylene सी के सक्रियण

  1. चरण 4.1 और 4.2 के समान मापदंडों का उपयोग करके सब्सट्रेट पर फोटोरेसिस्ट जमा करें।
  2. डिवाइस को एक ब्रोमोग्राफ में रखें और OCMFETs के पीएच-सेंसिंग क्षेत्रों के अनुरूप उद्घाटन के साथ एक प्लास्टिक फोटोलिथोग्राफिक मास्क को सब्सट्रेट पर रखें। शीर्ष से 1 मिनट के लिए यूवी प्रकाश को उजागर करें, और मास्क को सावधानीपूर्वक हटा दें, इसे खरोंचने से बचने के लिए सब्सट्रेट पर मुखौटा के पार्श्व आंदोलनों को कम करने के लिए ध्यान रखें।
  3. चरण 4.4 में वर्णित के रूप में photoresist विकसित करें। pH-संवेदन क्षेत्रों को छोड़कर, polyimide इन्सुलेशन टेप के साथ पूरे डिवाइस की रक्षा करें ( सामग्री की तालिका देखें)। चरण 5.1 में वर्णित समान मापदंडों का उपयोग करके सब्सट्रेट पर पैरिलीन सी की 500 एनएम की एक परत (पेरिलीन सी डिमर के 1 ग्राम के अनुरूप) जमा करें।
    नोट: पीएच-सेंसिंग क्षेत्रों पर कुल पेरिलीन सी मोटाई 650 एनएम है। इस निक्षेपण के लिए कोई silane की आवश्यकता नहीं है।
  4. ध्यान से polyimide इन्सुलेशन टेप निकालें. OCMFETs के पीएच-सेंसिंग क्षेत्रों पर Parylene C को सक्रिय करने के लिए ऑक्सीजन प्लाज्मा (5 मिनट और 200 W पर 30 s) के लिए सब्सट्रेट को बेनकाब करें।
    नोट: पॉलीमाइड इन्सुलेशन टेप Parylene सी जमाव को सीमित करने के लिए यहाँ आवश्यक है। वास्तव में, फोटोरेसिस्ट का उपयोग करके एक साधारण लिफ्ट-ऑफ पेरिलीन सी के साथ प्राप्त अनुरूप कोटिंग की लगभग पिनहोल-मुक्त प्रकृति के कारण सकारात्मक परिणाम नहीं देता है।
  5. पूरी तरह से photoresist को हटाने के लिए 10 s के लिए अल्ट्रासोनिक स्नान के अंदर एक एसीटोन कंटेनर में substrates जगह। एसीटोन और आइसोप्रोपिल अल्कोहल (कोई पानी नहीं) के साथ सब्सट्रेट्स को कुल्ला करें और उन्हें नाइट्रोजन के साथ सुखाएं।

10. अर्धचालक जमाव, culturing कक्ष रखने, और पीईटी से डिवाइस के अंतिम कट-आउट

  1. सब्सट्रेट्स को 50 डिग्री सेल्सियस पर एक गर्म प्लेट पर रखें। प्रत्येक चैनल क्षेत्र पर अर्धचालक समाधान (चरण 1.4) की एक बूंद (1 μL) डालें, पूरे सब्सट्रेट को ढक्कन के साथ कवर करें, और इसे 30 मिनट के लिए रासायनिक हुड के नीचे सूखने दें।
  2. 15 मिमी की आंतरिक त्रिज्या, 1 मिमी की मोटाई, और 3 डी प्रिंटर के साथ 7 मिमी की ऊंचाई के साथ एक acrylonitrile butadiene styrene अंगूठी मुद्रित करके कल्चर चैंबर तैयार करें। polydimethylsiloxane (इलाज एजेंट का अनुपात: वजन से 15%) का उपयोग कर सब्सट्रेट के केंद्रीय भाग पर culturing कक्ष गोंद। पीईटी से डिवाइस को या तो मैन्युअल रूप से या लेजर कटर का उपयोग करके काट लें।

11. ट्रांजिस्टर के विद्युत लक्षण वर्णन

  1. एक sourcemeter18,19,20,21 का उपयोग कर प्रत्येक ट्रांजिस्टर की विशेषता (सामग्री की तालिका देखें).
    नोट: आउटपुट और इनपुट विशेषताओं दोनों को ट्रांजिस्टर के पैरामीटर (मुख्य रूप से वाहक की गतिशीलता, थ्रेशोल्ड वोल्टेज, आयन / आईओएफ अनुपात, और सबथ्रेशोल्ड ढलान) को एक्सट्रपलेशन करने के लिए मापा जाना चाहिए।

Representative Results

एमओए की क्षमता को विद्युत गतिविधि रिकॉर्डिंग और चयापचय गतिविधि की निगरानी दोनों के लिए यहां मान्य किया गया है। बाह्य कोशिकीय कार्रवाई क्षमताओं का पता लगाने के लिए डिवाइस की क्षमताओं का सटीक अनुमान चूहे कार्डियोमायोसाइट्स संस्कृतियों के साथ एक पूरी तरह से लक्षण वर्णन पर आधारित था (विशेष रूप से प्राथमिक चूहे कार्डियोमायोसाइट्स में विट्रो में 8 दिनों में मापा जाता है [DIV])18। चित्रा 3A 16 OCMFETs के साथ एक पूर्ण MOA दिखाता है। शीर्ष इनसेट एक confluent चूहे कार्डियोमायोसाइट्स संस्कृति MOA की सतह का पालन का एक उदाहरण से पता चलता है. अपने स्वास्थ्य को उजागर करने के लिए, रिकॉर्डिंग सत्र के बाद कोशिकाओं को सरकोमेरिक प्रोटीन, ट्रोपोमायोसिन के लिए इम्यूनोस्टेन किया गया है। नीचे इनसेट एक OCMFET के साथ मापा एक एकल कार्डियोमायोसाइट्स संकेत दिखाता है।

दिलचस्प बात यह है कि डिवाइस सहज विद्युत गतिविधि और विभिन्न रसायनों के प्रशासन पर प्रेरित गतिविधि का पता लगा सकता है, जैसा कि चित्र 3 बी में दिखाया गया है। यह सत्यापन इलेक्ट्रोजेनिक सेल इंटरफेसिंग के लिए इस दृष्टिकोण का उपयोग करने की व्यवहार्यता को प्रदर्शित करने के लिए महत्वपूर्ण था। सरणी विन्यास के कारण, एमओए ने कार्डियक सिग्नल के प्रसार वेग के पुनर्निर्माण के लिए भी अनुमति दी, इस प्रकार सेलुलर नेटवर्क (चित्रा 3 सी) के अध्ययन के लिए सिस्टम की उपयुक्तता का प्रदर्शन किया। डिवाइस की वास्तविक पहचान सीमा निर्धारित करने के लिए आगे के सत्यापन के लिए, एमओए का परीक्षण स्ट्रिएटल न्यूरॉन्स (21 DIV) 18 के साथ भी किया गया था, जिसमें सिग्नल आयाम और रिकॉर्डिंग की विश्वसनीयता के संदर्भ में दिलचस्प परिणाम थे। जैसा कि चित्रा 3 डी में देखा गया है, OCMFET उल्लेखनीय स्थिरता के साथ न्यूरोनल क्षेत्र क्षमता को बढ़ा सकता है, जो 3.2 तक के सिग्नल-टू-शोर अनुपात (एसएनआरएस) दिखा सकता है (मानक MEAs25 के साथ प्राप्त एसएनआर के समान सीमा में)। रिकॉर्डिंग सेटअप ट्रांजिस्टर biasing और सिग्नल रीडआउट और कंडीशनिंग के लिए कस्टम multichannel इलेक्ट्रॉनिक्स के शामिल थे. विद्युत रिकॉर्डिंग के लिए प्रत्येक चैनल में एक पहला चरण होता है जिसमें 1 MΩ प्रतिक्रिया रोकनेवाला और 110 के वोल्टेज लाभ के साथ 150 हर्ट्ज -1.3 kHz बैंडपास फ़िल्टर के साथ एक I / V कनवर्टर होता है। सभी प्रस्तुत मापों के लिए, ट्रांजिस्टर VDS = VGS = -1 V के साथ पक्षपाती थे। ए / डी रूपांतरण और डेटा विज़ुअलाइज़ेशन और भंडारण डेटा अधिग्रहण बोर्ड का उपयोग करके किया गया था (सामग्री की तालिका देखें)। सभी माप सत्रों को सिस्टम पर विद्युत, पर्यावरणीय शोर को कम करने के लिए एक फैराडे पिंजरे के अंदर आयोजित किया गया था।

जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, प्रोटोकॉल में प्रस्तुत सरल भौतिक कार्यात्मकता का शोषण करके, सुपरनर्नस्टियन प्रतिक्रिया के साथ अत्यधिक संवेदनशील पीएच सेंसर तैयार करना संभव था। प्रस्तुत निर्माण दृष्टिकोण के कारण, इन पीएच उपकरणों को एमओए में एकीकृत किया जा सकता है और प्राथमिक हिप्पोकैम्पल चूहा न्यूरॉन्स 26 की चयापचय गतिविधि से प्रेरित मामूली पीएच विविधताओं की निगरानी के लिए उपयोग किया जा सकता है। विशेष रूप से, जैसा कि चित्रा 4 में दिखाया गया है, कम आवृत्ति संवेदन के लिए समर्पित दो OCMFETs में से केवल एक को दृष्टिकोण की व्यवहार्यता को प्रदर्शित करने के लिए चुनिंदा रूप से कार्यात्मक बनाया गया था। इस चयनात्मक कार्यात्मकता ने रासायनिक रूप से प्रेरित चयापचय विविधताओं के लिए दो OCMFETs की प्रतिक्रिया के मूल्यांकन की अनुमति दी: विशेष रूप से, एक उच्च चयापचय राज्य bicuculline (BIC) का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है, जो GABA A रिसेप्टर्स 27 का एक अवरोधक है, जबकि एक कम चयापचय स्थिति को टेट्रोडोटॉक्सिन (टीटीएक्स) के अलावा प्रेरित किया जा सकता है, जो अंततः सेलुलर मृत्यु का कारण बनता है28 . रिकॉर्डिंग सेटअप में इलेक्ट्रॉनिक गतिविधि माप के लिए उपयोग किए जाने वाले एक ही कस्टम मल्टीचैनल इलेक्ट्रॉनिक्स शामिल थे।

पिछले मामले के विपरीत, दो समर्पित चैनलों का उपयोग सेलुलर चयापचय गतिविधि द्वारा प्रेरित धीमी विविधताओं को रिकॉर्ड करने के लिए किया गया था। प्रत्येक चैनल में दो मुख्य ब्लॉकों से बना एक साधारण सर्किट शामिल था: 1 MΩ प्रतिक्रिया रोकनेवाला के साथ एक I / V कनवर्टर और 10 हर्ट्ज की कट-ऑफ आवृत्ति के साथ एक कम-पास फ़िल्टर। ट्रांजिस्टर VDS = VGS = -1 V के साथ पक्षपाती थे, और रिकॉर्डिंग पर बाहरी शोर के प्रभाव को कम करने के लिए सभी माप एक फैराडे पिंजरे के अंदर किए गए थे (यह सेलुलर चयापचय गतिविधि द्वारा प्रेरित कम वर्तमान उतार-चढ़ाव पर विचार करते हुए एक विशेष रूप से महत्वपूर्ण पहलू है)। प्रयोगों के दौरान, संस्कृतियों को कम-बफ़र्ड संस्कृति माध्यम में बनाए रखा गया था, और पूरी प्रणाली को एक नियंत्रित वातावरण (37 डिग्री सेल्सियस और एक निरंतर सीओ 2 / वायु प्रवाह) में रखा गया था। जैसा कि अपेक्षित था, केवल पीएच-संवेदनशील OCMFET की वर्तमान को 25 μM BIC के अतिरिक्त द्वारा संशोधित किया जा सकता है। यह आगे सेलुलर चयापचय गतिविधि के इसी भिन्नता द्वारा वर्तमान भिन्नता के प्रेरण द्वारा पुष्टि की गई थी।

10 μM TTX के अतिरिक्त के बाद एक ही प्रयोग को दोहराया गया था, जिसके परिणामस्वरूप सेलुलर चयापचय को धीरे-धीरे धीमा कर दिया गया था। टीटीएक्स के अतिरिक्त के बाद, न तो पीएच-संवेदनशील ओसीएमएफईटी और न ही पीएच-असंवेदनशील ने कोई प्रतिक्रिया दिखाई, इस प्रकार दृष्टिकोण की प्रभावकारिता का प्रदर्शन किया। ये परिणाम प्रस्तावित कार्यात्मकता की प्रभावशीलता और 2 सप्ताह तक के लिए इसकी सापेक्ष स्थिरता का प्रदर्शन करते हैं। एक महत्वपूर्ण निष्कर्ष जो प्रस्तावित प्रयोगों (विद्युत गतिविधि और चयापचय गतिविधि दोनों) से खींचा जा सकता है, वह यह है कि एक ही संस्कृति क्षेत्र के भीतर विभिन्न OCMFETs को चुनिंदा रूप से कार्यात्मक बनाकर विभिन्न प्रकार के सेंसर तैयार करना संभव है। यह पहलू सेलुलर अनुप्रयोगों के लिए बायोसेंसिंग में एक गैर-तुच्छ उपलब्धि का प्रतिनिधित्व करता है क्योंकि एक ही सेल संस्कृति के भीतर विभिन्न मापदंडों की निगरानी करने में सक्षम होना उन जैविक प्रणालियों की जटिलता के बेहतर लक्षण वर्णन के लिए महत्वपूर्ण है।

Figure 1
चित्रा 1: इलेक्ट्रोएक्टिव कोशिकाओं के चयापचय और विद्युत निगरानी के लिए एक 16 चैनल एमओए का शीर्ष दृश्य। स्केल बार = 1 सेमी. संक्षिप्त रूप: OCMFETs = कार्बनिक चार्ज-मॉडुलित क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर; FG = फ्लोटिंग गेट; एस / डी = स्रोत / नाली; MOA = माइक्रो OCMFET सरणी. कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्रा 2: इलेक्ट्रोएक्टिव कोशिकाओं के चयापचय और विद्युत निगरानी के लिए एक एमओए के मुख्य निर्माण चरण। (ए और बी) वाष्पित टीआई फिल्म को OCMFETs के फ्लोटिंग गेट को तैयार करने के लिए एक मानक फोटोलिथोग्राफिक प्रक्रिया का उपयोग करके पैटर्न किया जाता है। (C) पैरिलीन C के 15 nm का निक्षेपण। यह परत, देशी टीआई ऑक्साइड के साथ मिलकर, ट्रांजिस्टर के गेट ढांकता हुआ के रूप में कार्य करती है। (डी और ई) पेरिलीन सी परत को प्लाज्मा ऑक्सीजन उपचार का उपयोग करके पैटर्न किया जाता है। एक पैटर्न फोटोरेसिस्ट परत का उपयोग विद्युत रिकॉर्डिंग और फ्लोटिंग गेट बैक संपर्कों के लिए संवेदन क्षेत्रों को चुनिंदा रूप से उजागर करने के लिए किया जाता है। (एफ) एयू शीर्ष संपर्कों का पैटर्निंग, अर्थात् स्रोत, नाली, नियंत्रण गेट, और फ्लोटिंग गेट बैक संपर्क। डिवाइस के विद्युत प्रदर्शन में सुधार करने के लिए एक स्व-संरेखण तकनीक का उपयोग किया जाता है। (G-I) चयापचय गतिविधि की निगरानी के लिए OCMFETs के संवेदन क्षेत्र पर Parylene C की दूसरी परत का निक्षेपण। ऑक्सीजन प्लाज्मा एक्सपोजर के बाद, यह परत पीएच-संवेदनशील झिल्ली (जे) के रूप में कार्य करेगी। (के) कार्बनिक अर्धचालक (टिप्स पेंटासीन) और संस्कृति कक्ष स्थिति के जमाव के बाद एक पूर्ण एमओए (सामग्री के साथ) का क्रॉस-सेक्शन। संक्षिप्त रूप: OCMFETs = कार्बनिक चार्ज-मॉडुलित क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर; FG = फ्लोटिंग गेट; एस / डी = स्रोत / नाली; MOA = माइक्रो OCMFET सरणी; सीजी = नियंत्रण गेट; PET = polyethylene terephthalate; Par C = Parylene C; TIPS = 6,13-bis (triisopropylsilylethynyl) pentacene; ABS = acrylonitrile butadiene styrene कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्रा 3: एक MOA के साथ सेलुलर विद्युत गतिविधि रिकॉर्डिंग. (A) चूहे कार्डियोमायोसाइट्स (8 DIV) की एक confluent संस्कृति एक MOA की सतह का पालन करते हुए, एक रिकॉर्डिंग सत्र के बाद तय किया गया है और sarcomeric प्रोटीन, tropomyosin (ऊपरी इनसेट) के लिए immunostained। नीचे इनसेट: एक OCMFET के साथ मापा एक एकल कार्डियोमायोसाइट्स संकेत का उदाहरण। स्केल बार = 150 μm. (B) कार्डियोमायोसाइट्स संस्कृति की विद्युत गतिविधि की रासायनिक ट्यूनिंग। गतिविधि त्वरण 100 mM नॉरपेनेफ्रिन के अलावा के परिणामस्वरूप हुआ, जबकि दमन 100 mM verapamil के अलावा के परिणामस्वरूप हुआ। बाएँ: आवृत्ति मॉडुलन पिटाई; सही: 5 OCMFETs-औसत और मानक विचलन पर आंकड़े: बेसल के 4 मिनट (129 ± 4.6), नॉरपेनेफ्रिन-मध्यस्थता (280 ± 28.6) और वेरापामिल-मध्यस्थता गतिविधि (15 ± 1.9) पर स्पाइक-गिनती। (c) कार्डियक सिग्नल के प्रसार का पुनर्निर्माण। दाएं: संस्कृति की सहज गतिविधि का रास्टर प्लॉट साइट 14 से साइट 41 (दाएं) तक सिग्नल के प्रसार का संकेत देता है। (d) चूहे के भ्रूण से स्ट्रिएटल कोशिकाओं की क्रिया क्षमता (21 DIV)। इस आंकड़े को 18 से संशोधित किया गया है। संक्षिप्त रूप: OCMFET = कार्बनिक चार्ज-मॉडुलित क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर; MOA = माइक्रो OCMFET सरणी; एनई = नॉरपेनेफ्रिन; VER = verapamil; DIV = विट्रो में दिन। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्रा 4: एक एमओए के साथ चयापचय गतिविधि रिकॉर्डिंग। टीटीएक्स के 10 μM के अलावा 25 μM BIC के अलावा और बाद में एक MOA के (A) pH-संवेदनशील और (B) pH-असंवेदनशील चैनलों की प्रतिक्रिया। TTX अतिरिक्त के बाद, pH-संवेदनशील चैनल का व्यवहार pH-असंवेदनशील एक के समान हो जाता है। विशेष रूप से, टीटीएक्स-प्रेरित सेलुलर मृत्यु के कारण बीआईसी के अतिरिक्त के बाद कोई वर्तमान भिन्नता नहीं देखी जा सकती है। (सी) चयापचय गतिविधि रिकॉर्डिंग के लिए एमओए। पीएच-संवेदनशील और पीएच-असंवेदनशील OCMFETs को क्रमशः हरे और लाल रंग में रेखांकित किया गया है। इनसेट: स्वस्थ हिप्पोकैम्पल न्यूरॉन्स 15 DIV के बाद डिवाइस पर सुसंस्कृत। स्केल बार = 50 μm। इस आंकड़े को 26 से संशोधित किया गया है। संक्षिप्त रूप: OCMFET = कार्बनिक चार्ज-मॉडुलित क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर; MOA = माइक्रो OCMFET सरणी; BIC = bicuculline; TTX = tetrodotoxin; DIV = विट्रो में दिन। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Discussion

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।

Disclosures

लेखकों के पास घोषित करने के लिए हितों का कोई संघर्ष नहीं है।

Acknowledgments

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।

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.

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References

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Bioengineering अंक 175
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Spanu, A., Bonfiglio, A. In Vitro Multiparametric Cellular Analysis by Micro Organic Charge-modulated Field-effect Transistor Arrays. J. Vis. Exp. (175), e62907, doi:10.3791/62907 (2021).

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