2012年6月6日
本文介绍了一种生物制造方法:在偏置电极存在下,沉积具有刺激响应性的多糖,以制备可与细胞或蛋白质功能化的生物相容性薄膜。我们展示了一种可在实验台操作的薄膜制备策略,以及这些薄膜在构建用于芯片实验室应用的交互式生物功能化表面中的基本用途。
以下实验的总体目标是通过电沉积方法制备生物聚合物薄膜,并利用蛋白质和细胞等生物组分对其进行功能化。电沉积过程利用了在偏压电极局部发生的pH变化,结合pH响应性多糖溶液来实现。通过选择阴极或阳极沉积策略,对电极施加偏压以触发溶胶-凝胶转变,从而生成具有由电极几何形状决定图案的薄膜。
此外,可在电极沉积过程中引入蛋白质和细胞等生物组分。为了实现生物功能化,通过荧光成像获得的结果显示,这些生物组分可定位于薄膜中。同时,这些组分具有生物学功能,能够与其周围环境相互作用,这一点已通过酶活性的电化学检测以及报告细胞反应的应用得到证实。
生物制造为构建生物学与电子学之间的界面提供了一种全新的工具箱。我们认为其主要优势在于操作简便,以及能够在接近生理条件下进行组装。生物学通过自组装和酶促方式在纳米尺度上进行制造方面具有天然优势。借助这些能力,我们可以规避其他组装技术所依赖的复杂、危险且耗时的合成方法。
当我们的合作团队观察到风筝素可在电极上沉积时,便萌生了利用生物材料和机制构建BioD装置界面的想法。风筝素是一种对pH响应的成膜多糖,能够识别装置施加的电信号并在电极表面沉积形成薄膜。一旦我们发现风筝素可在电极上沉积,便意识到可以更广泛地利用生物化学和分子生物学领域的一系列工具来构建BioD装置界面。
该技术的应用可拓展至芯片实验室环境,其中需要功能性生物组分,因为该方法可提供一种廉价且简便的方式,将这些组分定位在电极上并保持其活性。此方法的可视化演示至关重要,因为生物制备的薄膜可能具有专一性且易于损坏。因此,在清洗或处理薄膜时必须格外小心,避免操作过于剧烈。
由于薄膜可能容易受到干扰,但其优点在于电极可以重复使用,因为薄膜易于去除。开始本实验方案时,使用鳄鱼夹通过跳线将电源连接到定制的电极上。
一块覆盖有氧化铟锡(ITO)的玻璃载片将作为阳极或工作电极,铂箔则作为阴极或对电极。放置电极时,应使待功能化的ITO表面正对对电极,且ITO表面可垂直浸入溶液中,或水平放置以使溶液能保留在其表面。接下来,通过将1%海藻酸钠和0.5%碳酸钙溶于蒸馏水中并进行高压灭菌,制备海藻酸钠沉积溶液。然后,通过混合并涡旋震荡,使用Fluor spheres对海藻酸钠进行荧光标记。
这将实现对所得薄膜的荧光成像。灭菌后,将两个电极浸入制备好的沉积溶液中,施加 3 A/m² 的恒定电流密度,持续 2 分钟。电压将在 2 至 3 伏范围内变化。2 分钟后,断开电极并移除非沉积溶液。用氯化钠轻轻冲洗薄膜,以去除多余的海藻酸盐。
将薄膜短暂孵育于 0.1 摩尔氯化钙中以增强凝胶强度。随后将薄膜置于所需的保存溶液中孵育。在共沉积前,采用荧光显微镜对薄膜进行成像。
按照本视频附带的书面方案,分别培养信号发送细胞和信号接收细胞。接着,配制海藻酸钠和碳酸钙的沉积溶液。将该溶液与每种细胞培养物按1:1比例混合,最终浓度为1%海藻酸钠和0.5%碳酸钙,同时将细胞稀释至约原培养密度的一半。
使用带有两个 ITO 电极的玻璃载玻片,该载玻片由聚二甲基硅氧烷小室包围,并配有铂对电极。将其中一个 ITO 电极和铂电极连接至电源。同前,将电极浸入含有受体细胞的沉积溶液中。
将电源设置为恒定电流,电流密度为每平方米3安培,其中表面积由将要发生沉积的单个电极定义。通电两分钟,使细胞在海藻酸盐基质中共同沉积。用氯化钠溶液像之前一样冲洗薄膜,然后将反向电极连接切换到相邻的ITO电极。
重复上述沉积步骤,但此次引入含有供体细胞的溶液。将含有共沉积细胞和钙离子介导的精氨酸的双电极芯片置于磷酸盐缓冲液中,在37摄氏度下孵育过夜。
加入10% LB培养基和1毫摩尔氯化钙。孵育后,使用荧光显微镜对芯片成像,以开始壳聚糖电极沉积。将电源连接至电极。
安装鳄鱼夹。镀金硅片将作为阴极,铂箔将作为阳极。放置金电极表面,使其像之前一样沉积对电极。
通过将Kato砂片加入水中,并缓慢加入2摩尔的盐酸以溶解多糖,制备Kato砂溶液。根据文中引用的步骤,可对Kato砂溶液进行荧光标记,以便通过荧光显微镜观察电极上沉积的薄膜。接下来,将电极完全浸入Kaizan溶液中,确保需要沉积的区域完全浸没。
根据工作电极的表面积,以每平方米4安培的电流密度计算,在两分钟内施加恒定电流。在此情况下,对面积为4平方毫米的金电极施加16微安的电流。用去离子水冲洗电极以去除多余的壳聚糖后,电压将偏移至2至3伏范围内。随后,使用荧光显微镜对薄膜成像,并在电流密度为每平方米4安培的条件下,将壳聚糖和葡萄糖氧化酶从溶液中共沉积到图案化电极上。
根据壳聚糖电极沉积步骤,将生成一种包埋有葡萄糖氧化酶的甲瓒膜。将处理过的电极连接至三电极系统,作为工作电极,以铂丝作为对电极,银/氯化银作为参比电极,将电极浸入含有氯化钠的磷酸盐缓冲溶液中。通过恒电位法施加恒定电压60秒,随后进行电化学共轭,将蛋白质共价连接至甲瓒膜上。
将芯片置于磷酸盐缓冲液中,在轨道摇床上清洗10分钟,以去除未反应的氯化钠和未结合的葡萄糖氧化酶。重新安装三电极系统,并浸入5毫摩尔的葡萄糖溶液中。然后设置循环伏安法所需的参数,将电位正向扫描至0.7伏特。
将电极从葡萄糖溶液中取出,并用磷酸盐缓冲液冲洗。然后将电极放入含有 8 毫升磷酸盐缓冲液的 10 毫升烧杯中,置于磁力搅拌器上。将 GOX 功能化的芯片设为 0.6 伏特,作为工作电极。
设置好所需参数后,采集基线记录。向缓冲液中分次加入等份的葡萄糖,使每次加入后葡萄糖浓度增加 4 毫摩尔。在本实验中,向缓冲液中加入 400 微升 80 毫摩尔葡萄糖的等份溶液。将电流输出与各葡萄糖浓度相关联,以生成标准曲线。如需进行蛋白质功能化,请使用一块玻璃载片,其上设有相邻的金电极和 ITO 电极,并置于 A-P-D-M-S 内。
将金电极施加阴极电位,使碲沉积,如先前所示。冲洗薄膜后,加入含有酪氨酸酶的蓝色荧光标记自诱导物2合成酶溶液。在室温下孵育一小时后。
用 PBS 如前所述冲洗薄膜,将海藻酸盐沉积液中浸入的 ITO 电极施加阳极电位,该沉积液含有受体细胞。继续按照海藻酸盐中共沉积细胞群体的相同步骤操作,以酶促方式生成转导信号。冲洗薄膜后,加入含有 10% LB 培养基和 1 毫摩尔的 5 微摩尔 SAH 与 PBS 混合溶液。
氯化钙覆盖电极以防止溶液蒸发,并在37摄氏度下孵育过夜。这将通过生成红色荧光蛋白DS Red来实现受体细胞的响应,相邻电极可通过荧光显微镜成像,只需调整滤光片以捕获蓝色荧光(来自诱导型合成酶)以及共用受体细胞表达的红色荧光。施加的电信号可在电极表面附近形成局部微环境,这些刺激可触发多糖(如海藻酸盐和Razan)的自组装,进而在电极表面沉积形成水凝胶薄膜。
由于这种溶胶-凝胶转变发生在电极表面,因此所形成的薄膜可通过电信号进行定位,其几何形状与电极图案相对应。利用海藻酸盐,已实现将不同的细胞群体共沉积于不同的地址位置。当供体与受体细胞群体发生相互作用时,可观察到其电极寻址的证据。
信号分子自诱导剂2从小号细胞中扩散并被接收细胞摄取,从而导致DS红色荧光蛋白的表达。此处,仅在接收细胞所定位的电极处观察到红色荧光。相反,生物传感酶葡萄糖氧化酶可通过酶促反应实现对葡萄糖的检测,其反应生成过氧化氢,后者可进一步通过电化学氧化产生输出电流。
通过这种方式,化学信号可被转导为电信号。该图显示,与不含Geo X的薄膜相比,其中化学共轭了Geo X的薄膜在葡萄糖存在时会产生强烈的抗信号。这些结果表明,Geo X能够组装到沉积的zam薄膜上,并保留催化活性。此外,随着葡萄糖浓度的增加,会引发耳电流的阶跃式上升。
标准曲线还显示,信号的逐步增加几乎呈线性,且依赖于所添加葡萄糖的量。这些结果表明,该酶在共价连接至Razza薄膜后仍保持其灵敏性。如图所示,I₂合酶包含一个五联酪氨酸标签。酪氨酸酶作用于该酪氨酸标签,将残基上的酚基氧化为邻苯醌,后者随后共价结合至Kazan的胺基。在此荧光图像中可观察到Kazam薄膜通过酪氨酸酶组装实现功能化的证据:图像显示金表面的kaza薄膜,其中功能化的I₂合酶被荧光标记为蓝色。由于I₂合酶能够以与供体细胞相同的方式,利用底物SAH生成I₂,因此当其靠近被招募的受体细胞且存在SAH时,也会引起受体细胞产生荧光响应,即表达ds。
受体细胞再次出现红色荧光,表明由于AI-2在细胞间的扩散,导致了细胞地址之间的相互作用,同时也进一步说明固定在钛片上的10种酶在共价结合后仍保持活性。观看本视频后,您应能够充分理解如何通过电沉积制备多糖薄膜,以及如何利用多种技术对这些薄膜进行功能化修饰。我们已展示了这些功能化步骤的多样性,使其可与多种生物组分结合,用于后续的测试研究。
一旦掌握,该技术可在短短几分钟内完成,从而在指定电极上生成明确定义的薄膜图案,并可将生物组分精确地接枝到这些图案上。通过这种方式,我们能够非常便捷地在指定电极上有序地构建出具有生物图案化特征且具备生物活性的表面,同时实现复杂的生物相互作用。在完成该操作流程后,研究者可在电极阵列的设计以及生物组分的选择方面发挥创造性,以实现预期的相互作用设计。
我们希望生物制造工具能够架起生物技术与微电子学这两个截然不同领域的桥梁,这两个领域各自已经深刻改变了我们的生活。通过实现这两个领域的融合,我们相信将能够为一些社会最紧迫的问题创造出新的解决方案。例如,我们设想生物制造可能为新型传感方式提供简单而通用的方法,用于即时检测、疾病诊断以及对生物和化学威胁的感知。
一个影响深远的例子是,下一代动脉支架不仅能够保持血管通畅,还能监测您的代谢谱。
本文介绍了一种使用刺激响应多糖和偏置电极创建生物相容性薄膜的生物制造技术。该方法允许使用生物组分对这些薄膜进行功能化,使其可用于实验室芯片应用。
Biofabrication enables the creation of functional biological interfaces on electrodes under near-physiological conditions, supporting lab-on-a-chip development for diagnostic and sensing applications. This approach reduces reliance on harsh chemical synthesis, preserving labile biomolecules while enabling precise spatial patterning of biological components. The technique bridges biotechnology and microelectronics, offering a scalable, reusable platform for early-stage target validation and assay development in pharmaceutical R&D.
The method integrates into early discovery workflows by enabling hypothesis-driven assembly of biological sensors, supporting lead identification through functional readouts, and informing preclinical continuity via signal transduction validation.