微流控再助力生物医学研究，实时监测细胞健康与细菌污染

研究背景 

细胞培养是生物医学研究、药物开发和再生医学的核心技术。然而，细胞培养环境的稳定性直接影响实验结果的可靠性，其中葡萄糖水平作为细胞代谢的关键指标，需要实时监测以评估细胞活力和污染风险。传统方法（如分光光度法和色谱法）存在以下问题：

1. 操作繁琐：需频繁取样，可能破坏培养环境； 

2. 设备笨重：依赖大型仪器，难以集成到培养系统中； 

3. 干扰严重：复杂培养基中的代谢产物（如丙酮酸、氨基酸）易影响检测精度； 

4. 无法长期监测：传感器信号随时间衰减。 

近年来，微流控技术因微型化、高通量和低样本需求等优势备受关注，但现有系统仍面临适应性差（仅限特定细胞类型）和长期稳定性不足的挑战。本研究通过创新的微柱阵列设计和微流控稀释技术，攻克了上述难题。

研究原理 

MED的核心设计分为三部分：微柱阵列电极、微流控稀释单元和电化学检测系统（图1）。

图1 MED结构示意图及电极修饰流程

1. 微柱阵列电极： 

- 结构：15×15的微柱阵列，单柱高度150 μm，基底直径80 μm，顶部直径40 μm（图2）。 

- 优势：相比平面电极，表面积增加3倍以上，提升酶负载量和溶液接触效率。 

- 修饰层： 

a 普鲁士蓝（PB）：催化过氧化氢还原，增强信号稳定性；

b 壳聚糖-多壁碳纳米管（Ch-MWCNTs）：提供高导电性和酶固定基质；

c 葡萄糖氧化酶（GOx）：特异性催化葡萄糖氧化反应。 

图2 微流控电化学传感器每个步骤的表征

2. 微流控稀释单元： 

- 通过特斯拉微混合器（Tesla micromixer）将培养基稀释50倍，降低复杂成分对传感器的干扰。 

- 采用PDMS软光刻技术制造，确保混合均匀性和长期稳定性。 

3. 电化学检测： 

- 三电极系统（工作电极、对电极、参比电极）结合计时电流法，在- 0.15 V电位下检测葡萄糖氧化电流。 

研究亮点 

1. 超高灵敏度与宽检测范围： 

- 线性范围0.025–1.50 mM，灵敏度4.71 μA·mM⁻¹，检测限低至19.10 μM（图4a-b）。 

- 适用于高浓度培养基（经稀释后检测限对应实际浓度0.95 mM）。 

图4 传感器性能验证

2. 抗干扰能力： 

- 在抗坏血酸、乳酸、丙酮酸等干扰物存在下，信号波动<5%（图4c）。 

3. 长期稳定性： 

- 72小时连续监测中，传感器响应保持稳定（图4e-f），重复使用10次后仍保留90%灵敏度。 

4. 多场景应用验证： 

- 细胞生长监测：成功追踪小鼠成纤维细胞（GP+E86）和人诱导多能干细胞（hiPSCs）的代谢动态，识别滞后期、对数期和平台期（图5a-c）。 

- 污染检测：在hiPSCs培养中引入大肠杆菌（E. coli），发现污染后葡萄糖消耗速率显著升高（图5d），24小时内即可预警。

图5 细胞培养与污染检测结果

5. 与传统方法的一致性：

- 与超高效液相色谱（UHPLC）结果高度吻合（R²>0.99），验证了装置的可靠性（图5a-d）。

总结及展望 

MED在多种细胞培养体系中表现出色，尤其在大肠杆菌污染模型中，即使低浓度污染（2000 CFU）也能通过葡萄糖消耗异常被及时检测。微流控稀释技术有效降低了培养基中复杂成分的干扰，解决了传统电化学传感器的信号漂移问题。

未来可以在生物制药、再生医学、精准医疗等诸多领域发挥重要作用：比如实时监控生物反应器中的细胞代谢，优化生产条件；确保干细胞培养质量，减少分化过程中的变异风险；结合多参数检测（如乳酸、pH值），构建细胞健康综合评估平台；扩展至水质或食品中的微生物污染检测。后续可以集成无线传输模块和微型化电源；进一步验证在3D细胞培养和器官芯片中的应用潜力；开发多合一传感器，同步监测葡萄糖、乳酸、氧分压等参数。

这项研究通过创新的微柱阵列和微流控技术，为细胞培养监测提供了高效、可靠的解决方案。其高灵敏度和抗干扰能力不仅提升了实验数据的准确性，更在污染预警和代谢研究中展现出独特价值。随着技术的进一步优化，MED有望成为生物医学实验室的“标准配置”，推动细胞研究和生物制造迈向智能化时代。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.117534 

期刊：Biosensors and Bioelectronics