微流體生物反應器靶細胞快速控制傳感平臺工作原理及應用介紹_abio生物試劑品牌網
一、研究背景
免疫療法利用基因工程 T 細胞表達嵌合抗原受體（CAR）和 T 細胞受體（TCR）對抗癌細胞，成為個性化癌癥治療的有前途策略。然而，當前免疫治療中 CAR - T 細胞培養擴增依賴封閉生物反應器和手動質量控制，存在耗時、勞動密集、昂貴且易出錯的問題，且生物反應器在擴增階段不可接近，無法實時監測，質量控制只能在過程結束時進行，可能導致資源損失和時間浪費，因此急需實時決策工具。芯片實驗室（LoC）設備因能自動化實驗室操作、減少生物樣品和試劑用量，成為集成質量控制功能的潛在解決方案。
二、材料和方法
- 材料：采用具有光學表面質量（表面粗糙度Ra<5nm）的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基材和玻璃基板分別制造微流體和傳感模塊，使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄層粘合兩種材料。實驗試劑包括磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）溶液、乙醇、Dulbecco 改良 Eagle 培養基（DMEM）等，永生化前列腺癌細胞（PC 3）在特定條件下培養，使用抗 EpCAM 抗體功能化的金納米顆粒（AuNP）標記 PC 3 細胞。
- 方法
- 設備制造：檢測平臺由 PMMA 底物上的微流體模塊和玻璃基板上的傳感模塊通過 PDMS 層結合而成。微流體通道為 Y 形，有兩個入口，用于注入細胞培養基和載體流體，主臂長 10 毫米，寬 300μm，深 200μm 。通過激光光刻在玻璃基板上制造兩個金微電極，排列在微流體通道底部，傳感元件部分的手指電極間距約 40μm，另一端為墊形并微焊到傳感器集成電路板用于 QVAR 檢測。
- 電子器件：系統電子核心是意法半導體的商用電容傳感器 ILPS22QS，用于壓力、溫度和電容測量，能對輸出電壓采樣數字化，電荷變化測量（QVAR）是核心。傳感器通過額外電路與外部環境連接，由安裝在原型板上的微控制器 STM32L476RG 本地管理。
- 軟件：開發的軟件包括 STM32L476RG 微控制器中的軟件，用于控制傳感器、設置輸出數據速率、讀取電壓值并發送時間戳到外部 PC，傳感器和 MCU 通過 I2C 接口通信，數據通過 UART 協議傳輸到 MATLAB 用戶界面進行存儲和后處理。
圖1.檢測平臺的組成(a)設備的俯視圖(b)與傳感模塊對齊的微流體界面三維模型(c)微流體通道中嵌入的微電極的傳感區域細節。
圖2.(a)ILPS22QS傳感器。(b)電子零件概覽，包括STEVAL-MKI228K傳感器模塊和STEM32Nucleo-L476RG板。
三、實驗結果
- 初步靜態表征：在組裝微流體前，對電容傳感器進行初步表征，先使用不含細胞的液體（PBS、DIW、乙醇、DMEM）測試，證實系統正常工作。隨后測定不同濃度 PC3 細胞在 DMEM 中的情況，傳感器能區分最低濃度稀釋液。對用 AuNP 標記的 LbPC3 細胞測試，結果表明金納米粒子增強了電容檢測，降低了低濃度下的電導波動。
- 微流體平臺測試：搭建微流體平臺，在低壓下注入流體模擬樣品從反應器噴出，對 PC3 和 LbPC3 細胞在不同濃度下測試。結果顯示，LbPC3 細胞懸浮液的平均輸出電壓高于基線，且不同濃度的 LbPC3 細胞平均電壓可檢測且有明顯區別，微通道中少量標記細胞也能產生可檢測電壓變化，但重復測試會使微流控模塊磨損泄漏，不過此問題與原型制造方法有關，不影響最終設備。
四、研究總結
該 LoC 細胞探測器將標準細胞特異性金納米顆粒標記與簡單低成本的電容探測器相結合，具有明顯優勢。其性能適用于現實世界應用，通道中細胞數量少，功耗低，滿足便攜式平臺要求。不僅可用于免疫療法中 CAR - T 細胞質量控制，還能根據細胞特定表面膜特征定位細胞亞群，應用范圍廣泛 。
