人類一直著迷于逆向工程，無論是制造科學怪人還是人造器官。使用器官芯片和組織工程技術，讓科幻正慢慢成為現實。在器官 - 芯片技術中，人體器官的生理功能在微流體通道內被模擬。組織工程可能涉及腳手架內活細胞的生物印刷以模仿整個器官。這兩種技術都為開發(fā)個性化藥物和研究疾病模型提供了極大的希望。這項技術的成功應用將取決于維持健康細胞環(huán)境的能力，并監(jiān)測微流控通道內的生物過程長達一段時間（?2-4周）。通過將傳感器集成到微流體通道內，這些參數可以連續(xù)監(jiān)測。將傳感器集成到微流體通道的優(yōu)點是：

· 通道內無標簽連續(xù)監(jiān)測細胞健康

· 微流體通道中的微量（微微升）能夠實現高靈敏度的檢測

· 通過將傳感器放置在細胞附近，感興趣的分析物不太可能在細胞培養(yǎng)基中被稀釋

真正模仿人體生理學

活細胞甚至對其環(huán)境中的微小變化也很敏感，并且響應這些變化釋放某些分子。監(jiān)測這些分子提供了有關健康狀況的有價值信息，并且可以預測對藥物的反應。例如，Zhang等人 開發(fā)了一種多傳感器集成芯片上元件平臺，通過使用光學傳感器來監(jiān)測微環(huán)境參數，例如pH，氧氣和溫度。此外，作者開發(fā)了無標記電化學免疫生物傳感器，用于連續(xù)監(jiān)測組織工程分泌的分子微流體通道內的器官。這項工作表明，器官芯片可以在微環(huán)境中整合生物物理和生化參數的實時監(jiān)測。

圖1：示意圖顯示了如何使用傳感器連續(xù)監(jiān)測微流體通道內的生化參數。

圖1顯示了來自集成到微流體通道的傳感器的反饋如何用于調節(jié)細胞培養(yǎng)的微環(huán)境的示意圖。傳感器可以持續(xù)監(jiān)測通道內的生物物理和生物化學參數，并將這些信息直接傳達給計算機，然后使用泵調整新鮮細胞培養(yǎng)基的流入量。通道與細胞培養(yǎng)基的微量灌注有助于維持最佳的pH值，氧氣水平和溫度。這種反饋可用于提高器官芯片應用的細胞活力，并使我們更接近于真正模仿人體生理學。

目前，已經開發(fā)出用于測量pH ，氧氣，葡萄糖和乳酸鹽的傳感器。將這些傳感器的任意組合集成到器官芯片器件中將有助于確定在藥物篩選應用中可能重要的微環(huán)境。

整合傳感器和前景的挑戰(zhàn)

為了成功地將傳感器集成到微流體通道中，需要克服幾個挑戰(zhàn)。他們如下：

生物污染

使用傳感器進行長期監(jiān)測的主要挑戰(zhàn)之一是表面的生物污染。生物結垢是指在感測材料表面上形成薄的生物膜，這導致傳感器的性能降低。在生物環(huán)境中感測時，這個問題尤其會被放大。已經有幾種策略來減輕傳感器的生物污染。例如，表面改性（硅烷化）是延長傳感器壽命的流行技術。

制造技術

以往使用的軟光刻用于制造微流體設備時，需要修改以直接集成傳感器到通道。諸如粘合PDMS表面和對準通道內的傳感器等問題可能是一個挑戰(zhàn)。樂高和盒式裝配等新制造技術在制造片上器件方面越來越受歡迎，因為它們更適合于傳感器集成。

傳感器靈敏度和選擇性

傳感器靈敏度是指傳感器的檢測極限。在mg / L或ng / L范圍內以低體積（皮升）感應時需要超靈敏度傳感器。最近，納米材料如石墨烯和碳納米管因其在低容量檢測中的高靈敏度而受到歡迎。選擇性是這些傳感器的另一個主要挑戰(zhàn)。該參數指的是傳感器僅檢測具有高信噪比的特定分子的能力。細胞培養(yǎng)基中各種干擾物質的存在對于特異性地檢測感興趣的分子可能是一個挑戰(zhàn)。基于適配子的傳感器具有高信噪比的良好選擇性。

總之，新技術帶來了新的需求和挑戰(zhàn)。器官 - 芯片和組織工程為個性化醫(yī)學，藥物開發(fā)和研究具有更復雜生理相關系統的疾病模型顯示出巨大的前景。將傳感器集成到微流體通道中可以通過連續(xù)監(jiān)測微環(huán)境中的生物物理和生物化學參數來提高這些技術的性能。