Online oxygen monitoring using integrated inkjet-printed sensors in a liver-on-a-chip system

在芯片上的肝臟系統中使用集成的噴墨打印傳感器進行在線氧監測

來源：Lab Chip, 2018, 18, 2023

 

論文總結

研究通過噴墨打印技術（IJP）在肝臟芯片（liver-on-a-chip）系統中集成溶解氧（DO）傳感器，實現實時監測氧氣濃度梯度，以揭示肝細胞代謝分區（zonation）機制。以下從摘要、研究目的、研究思路、測量數據及意義、結論等方面進行總結，并詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量數據的意義。

一、論文摘要

研究開發了一種在肝臟芯片系統（ExoLiver）中集成噴墨打印DO傳感器的方法，用于實時監測微環境中的氧氣濃度。傳感器被打印在超薄多孔膜（65μm厚，80%孔隙率）上，通過SU-8 primer層密封孔隙，形成金和銀電極。三個傳感器沿微流體通道放置（流入、中間、流出點），允許局部監測氧氣梯度。實驗顯示，大鼠和人類肝細胞存在顯著氧氣梯度（大鼠高達17.5%，人類高達32.5%），且使用線粒體解耦劑FCCP刺激后，氧消耗率（OCR）顯著增加（大鼠從0.23增至5.95 nmol s?1/10? cells，人類從0.17增至10.62 nmol s?1/10? cells）。結果表明，IJP技術能成功集成傳感器于脆弱基板，實現實時監測，克服了器官芯片（OOC）系統監測的挑戰。

二、研究目的

 

實現實時監測：解決OOC系統中細胞功能監測的難題，特別是氧氣濃度變化，以更好地理解肝細胞代謝和分區。

集成傳感器：通過IJP技術在多孔膜上直接打印傳感器，避免傳統方法的高溫、復雜工藝和不兼容性問題。

驗證生物學應用：使用原代大鼠和人類肝細胞，驗證傳感器在監測氧氣梯度、OCR和藥物響應（如FCCP）中的有效性。

 

促進器官芯片發展：為OOC系統提供低成本、高靈活性的傳感集成方案，提升其預測性和臨床應用潛力。

 

背景基于OOC系統在模擬器官生理中的重要性，但傳統監測方法（如光學顯微鏡或外部探頭）無法實現實時、多點、非侵入式測量，尤其在高密度細胞培養中。

三、研究思路

研究采用噴墨打印技術與微流體系統結合的策略：

 

傳感器制造：使用IJP在多孔PTFE膜上打印SU-8 primer層（密封孔隙），然后打印金（工作電極和計數電極）和銀（偽參考電極）墨水，形成電化學DO傳感器（Fig. 1）。打印后熱燒結（130°C，40分鐘）和UV固化，確保電極導電性和穩定性。

 

系統集成：將三個傳感器集成于ExoLiver生物反應器的多孔膜上，沿微流體通道分布（流入、中間、流出點），與細胞培養區域直接接觸（Fig. 3）。系統包括上通道（流動培養基）和下通道（靜態肝細胞培養）。

 

實驗驗證：使用原代大鼠和人類肝細胞培養，通過微流體灌注維持細胞活力。添加FCCP（0.5μM步驟）刺激OCR，監測氧氣變化。使用商業Unisense Clark型電極作為參考驗證。

 

數據分析：通過安培法（-650 mV極化）測量DO，校準傳感器（線性范圍0-9 mg L?1）。建立數學模型估計OCR（基于質量平衡和Michaelis-Menten動力學），并比較細胞響應。

 

四、測量數據、來源及研究意義

研究測量了多維度數據，其意義及來源如下（數據均標注自原文圖/表）：

 

傳感器性能數據（數據來自校準曲線）：

 

數據：傳感器線性范圍0-9 mg L?1，靈敏度28±1 nA L mg?1，檢測限0.11±0.02 mg L?1，Sheet電阻<2 Ω□?1。

 

研究意義：證實IJP傳感器具有高靈敏度和可靠性，適用于生物環境；低檢測限允許精確監測低氧條件，為實時監測提供基礎。

 

氧氣梯度監測（數據來自Fig. 4）：

 

數據：在肝細胞培養中，流入點DO最高，流出點最低。大鼠肝細胞梯度達17.5%（如從~6.5 mg L?1降至~5.4 mg L?1），人類肝細胞梯度達32.5%（如從~6.0 mg L?1降至~4.0 mg L?1）。無細胞對照無梯度（Fig. 4a）。

 

研究意義：直接驗證肝竇狀隙中氧氣梯度的存在，模擬體內分區（zonation）現象；梯度大小反映物種差異，人類肝細胞對氧更敏感，支持個性化醫學模型。

 

氧消耗率（OCR）估計（數據來自Fig. 5和數學模型）：

 

數據：基礎OCR大鼠為0.23±0.07 nmol s?1/10? cells，人類為0.17±0.10 nmol s?1/10? cells。FCCP刺激后，OCR大幅增加（大鼠至5.95±0.67 nmol s?1/10? cells，人類至10.62±1.15 nmol s?1/10? cells）。流出點OCR比流入點高1.2倍（大鼠）和1.4倍（人類）。

 

研究意義：量化細胞代謝響應，揭示FCCP通過解耦線粒體增加呼吸；OCR梯度證實細胞適應低氧環境，轉向糖酵解，與腫瘤代謝類似，為藥物測試提供模型。

 

細胞存活與形態（數據來自Fig. 4d）：

 

數據：顯微鏡圖像顯示肝細胞在實驗開始和結束時保持多邊形形態和高存活率，無顯著死亡或形態變化。

 

研究意義：證實傳感器集成和低氧條件不影響細胞健康，支持方法的生物相容性；細胞在低氧下維持功能，可能通過 anaerobic glycolysis 適應。

 

與商業傳感器比較（數據來自Fig. 4黑線）：

 

數據：Unisense Clark型傳感器（上通道流出點）測量與打印傳感器一致，但僅能提供單點數據，無法捕獲梯度。

 

研究意義：驗證打印傳感器的準確性；突出集成傳感器的優勢——多點監測能力，克服商業傳感器的空間限制。

 

五、研究結論

 

成功集成傳感器：IJP技術能在多孔膜上可靠打印DO傳感器，無需高溫或復雜工藝，實現OOC系統內置監測。

氧氣梯度證實：肝細胞培養中存在顯著氧氣梯度（高達32.5%），模擬體內分區，對人類肝細胞更明顯。

代謝響應量化：FCCP刺激顯著增加OCR，揭示細胞代謝靈活性；流出點細胞OCR更高，表明適應低氧。

技術優勢：打印傳感器提供實時、多點、非侵入式監測，優于傳統方法；模型支持OCR估計，增強數據解讀。

 

應用前景：方法可擴展至其他參數（如pH、葡萄糖）監測，推動OOC系統在藥物篩選和疾病建模中的應用。

 

六、詳細解讀使用丹麥Unisense電極測量出來的數據有什么研究意義

丹麥Unisense電極（具體為Clark型氧微電極，型號OX-NP）在本研究中作為參考傳感器，用于驗證打印傳感器的準確性和可靠性。其研究意義如下：

 

提供金標準驗證：

 

技術描述：Unisense電極基于Clark原理，具有高精度（檢測限低）和快速響應（每秒測量），常用于生物醫學研究。在本研究中，它被放置于生物反應器的上通道流出點，提供連續DO測量（Fig. 3c）。

研究應用：與打印傳感器數據比較（Fig. 4），顯示高度一致性（如DO濃度趨勢匹配），確認打印傳感器的校準和性能（線性響應和靈敏度）。

 

研究意義：作為獨立驗證工具，Unisense電極確保了打印傳感器的數據可靠性，減少了系統誤差，為新技術 adoption 提供可信度。

 

突出集成傳感器的優勢：

 

局限性分析：Unisense電極雖精確，但僅能提供單點測量（上通道），無法直接監測細胞附近的梯度（下通道）。這是由于它的尺寸和位置限制——需插入系統，可能干擾微環境。

 

研究意義：通過對比，凸顯打印傳感器的獨特價值：能嵌入細胞培養膜（下通道），實現多點、原位監測（流入、中間、流出點），直接捕獲氧氣梯度（如Fig. 4b-c所示梯度），而Unisense只能間接推斷。這強調了集成傳感對于OOC系統全面監測的必要性。

 

支持生物學發現：

 

數據關聯：Unisense數據幫助確認FCCP添加后的氧消耗變化（如Fig. 4中黑線下降），與打印傳感器響應同步，證實藥物效應。

 

研究意義：驗證了細胞代謝響應的真實性，如OCR增加；Unisense的連續監測（每秒）補充了打印傳感器的間歇測量（每15分鐘），提供更動態的視圖，但打印傳感器提供了空間分辨率。

 

技術互補性與未來方向：

 

協同作用：Unisense電極用于校準和關鍵時刻驗證，而打印傳感器用于日常監測，降低成本和復雜性。

 

研究意義：展示了多傳感器融合的策略——Unisense作為“黃金標準”用于方法開發，打印傳感器用于規模化應用。這為OOC系統的標準化監測提供了藍圖，鼓勵開發更多集成傳感器（如用于pH或代謝物）。

 

總之，Unisense電極在本研究中是質量控制的關鍵工具，其數據不僅驗證了打印傳感器的性能，還強調了在復雜生物系統中多點監測的重要性。這推動了OOC監測從單一外部測量向內部、實時、多維發展的演進，有望加速器官芯片在精準醫學和藥物開發中的轉化。