华人科学家开发柔性电子传感器阵列，可监测心肌细胞异常( 二 ) 心脏病在过去20年里一直是“头

为了构建这个设备，该团队首先将场效应晶体管制作成二维片状，然后将这个二维的器件转移到一个预先拉伸开的硅胶弹性体基底上。当预拉伸的力被释放后，原本的二维结构就受到一个挤压力，在这个挤压力的作用下，这个二维结构会变形成三维的结构。
“这种传感器就像一本立体书（pop-upbook）。 ”谷悦说， “它开始是二维结构，在压力下某些部分弹出，从而形成三维结构。 ”
监测效果怎么样？
科研团队在体外培养的心肌细胞和心脏组织上都测试了这种传感器。实验会将细胞培养物或组织放在该装置上，然后监测场效应晶体管传感器接收到的电信号。通过观察哪些传感器先检测到信号，以及其他传感器检测到信号所需的时间，研究小组就可以确定信号的传输方式和速度，还能测量相邻细胞的信号——这也是该领域首次对单一心肌细胞内的信号进行测量。
传统用于监测细胞电信号的膜片钳技术，仍是最广泛应用的细胞内电生理信号技术，但设备的操作难度非常大，侵入式的测量方式也很容易杀死待测的细胞。利用这种表面修饰磷脂双分子层的传感器，可以尽可能减少对待测细胞的侵害，从而实现将两个传感器放到同一个细胞内的测试。
徐升还介绍说：“更棒的是，这是研究者首次能够测量三维组织结构中的细胞内信号。 ”迄今为止，这类组织中的信号监测只在细胞膜外实现过，而这种传感器则可以收集组织内细胞中的信号。

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按比例放大的FET传感器阵列的设备，用于测量三维心脏组织结构中的电信号测量|谷悦供图[2]
科研团队在实验中还发现，单个心肌细胞内的信号传导比多个心脏细胞之间快了近5倍。谷悦认为，研究这些问题可以揭示在细胞水平上心脏异常的原因。 “假设测量单个细胞内信号传导速度和两个细胞之间的信号传导速度，如果测量结果显示细胞间传导的速度比细胞内传导的速度小得多，那么很可能是细胞间的连接出了问题，比如纤维化。 ”
产业化前景如何？
【华人科学家开发柔性电子传感器阵列，可监测心肌细胞异常】该设备的一个最基本的应用方向就是在未来能一定范围内取代传统的膜片钳技术，用于细胞内电生理信号的监测。膜片钳技术除了对操作者技术和经验的极高要求，导致其无法更大范围地推广外，也很难应用于同时记录多个细胞的信号，所以很少用于研究电信号的传导性能，然而此项研究所介绍的工具在这两方面都具有优势。
接下来，该团队将会开展神经元内部电信号活动的研究。研究人员计划用这种设备记录活体真实生物组织的电活动。徐升设想了一种可植入于跳动的心脏表面或大脑皮层表面的设备，但目前的设备距离这个设想要达到的阶段还很远。
为了达到这个目标，研究人员还需要针对FET传感器布局的调整、FET阵列的尺寸和材料的优化，以及在人工智能辅助的信号处理算法的设备整合等方面进行深入研究。
“产业化也是我们很感兴趣的一个方面。 ”谷悦告诉果壳， “这项研究中介绍的设备制备工艺比较新颖，而新的工艺还需要制定相应的复合工业生产标准。另一方面是，这项制备技术是可以定制的。针对不同种类的细胞或者研究内容，可以设计不同结构的设备。若要走上产业化道路，如何制定一套设计标准和指南也是需要解决的问题。 ”
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