癌癥已經(jīng)成為全世界面臨的重要問題。通常癌細(xì)胞與正常細(xì)胞在貼附、遷移、增殖等階段有區(qū)別，可在細(xì)胞的電阻抗特性上得到反映。同時，單細(xì)胞分析為研究細(xì)胞的特異性行為提供了獨特視角。傳統(tǒng)的細(xì)胞阻抗傳感器（electriccell-substrate impedance sensing (ECIS)）由于細(xì)胞和電極材料是二維的接觸，而且表面相互作用弱，造成單細(xì)胞的電阻抗信號微弱，不能有效的監(jiān)測單細(xì)胞的實時變化。

近日，浙江理工大學(xué)光電材料和器件中心在Biosensors and Bioelectronics上發(fā)表文章“Three-dimensionalgraphene biointerface with extremely high sensitivity to single cancer cell monitoring”（如圖1）。該文從仿生的角度，通過微納加工工藝和化學(xué)修飾相結(jié)合的方法制備了一種基于三維石墨烯仿生界面細(xì)胞電阻抗傳感器的微流控芯片（如圖2和圖3），用于單細(xì)胞和雙細(xì)胞的電阻抗監(jiān)測。捕獲微槽和單細(xì)胞的形狀、尺寸相匹配，并且修飾在微槽上的石墨烯膜均一而且連續(xù)，激光刻蝕后各個捕獲微槽之間的電信號不會互相關(guān)聯(lián)和干擾。細(xì)胞捕獲在石墨烯界面上如圖4所示，石墨烯界面和細(xì)胞之間發(fā)生包裹和擠壓效應(yīng)，并簇生出一定數(shù)量的脊。由于石墨烯微槽表面仿生的微納尺度紋理和褶皺與細(xì)胞表面的絲狀偽足更加的匹配，這樣的異質(zhì)性界面相互作用將會為細(xì)胞在電極表面的貼附以及電信號的傳導(dǎo)提供更多的接觸位點和更大的接觸力，通過三維陷阱效應(yīng)和微納尺度異質(zhì)性紋理相互作用將細(xì)胞阻抗傳感器的靈敏度大幅提高，與傳統(tǒng)的阻抗傳感器相比單細(xì)胞約提高100%、雙細(xì)胞約提高50%（如圖5），并通過理論計算得到驗證。同時，通過石墨烯納米界面可以實時的實現(xiàn)單細(xì)胞表面CCD形貌記錄和電阻抗信號的提?。ㄈ鐖D6）。這將為設(shè)計仿生的異質(zhì)性界面用于細(xì)胞相關(guān)的癌癥研究提供新的思路和方法。

圖2三維石墨烯仿生界面細(xì)胞電阻抗傳感器基于的微流控芯片效果圖。（a）設(shè)計的微流控芯片三維圖，包括集成電極陣列、帶有入口和出口的PDMS流道以及PDMS蓋板；（b）捕獲區(qū)域的放大圖，包括不同尺寸電極相應(yīng)的位置分布；（c）細(xì)胞捕獲在三維石墨烯仿生界面上的側(cè)視圖；（d）用于單細(xì)胞捕獲的石墨烯微槽尺寸

圖3（a）微流控芯片的實物圖，尺寸為2×2cm²；（b）用于單雙細(xì)胞捕獲的流道捕獲區(qū)域放大圖；（c）捕獲微槽的高度為30?m，比細(xì)胞直徑稍大；石墨烯片自組裝在微槽表面的（d）低倍和（e）高倍SEM圖；（f）單個石墨烯微槽側(cè)壁的SEM圖；（g）石墨烯微槽圓弧形內(nèi)壁的原子力顯微圖；（h）激光將連續(xù)的石墨烯膜圖案化后的激光顯微圖片；（i）激光刻蝕后單個捕獲陣列的三維顯微圖

圖4 單細(xì)胞和雙細(xì)胞捕獲在相應(yīng)微槽位置的顯微圖。（a）單細(xì)胞和（b）雙細(xì)胞捕獲的在二維金界面的微槽內(nèi)；（c）單細(xì)胞和（d）雙細(xì)胞捕獲在三維石墨烯界面的微槽內(nèi)；（e）單細(xì)胞和（f）雙細(xì)胞被三維石墨烯界面微槽緊緊的包裹；（g）單細(xì)胞和（h）雙細(xì)胞和石墨烯界面發(fā)生擠壓，并簇生出一定數(shù)量的脊

圖5 在頻率為5k和10k Hz下，對阻抗差值△Z進(jìn)行的統(tǒng)計分析。數(shù)據(jù)代表五次重復(fù)實驗的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（n=100）。在不同的生理階段：包括捕獲、貼附（培養(yǎng)2小時）、遷移（培養(yǎng)2小時）和增殖（培養(yǎng)2小時），（a）單個早期乳腺癌細(xì)胞MCF-7和（b）單個中期乳腺癌細(xì)胞MDA-MB-231細(xì)胞分別接種在二維金界面和三維石墨烯界面的阻抗差值；（c）雙個早期乳腺癌細(xì)胞MCF-7和（d）雙個中期乳腺癌細(xì)胞MDA-MB-231細(xì)胞分別接種在二維金界面和三維石墨烯界面的阻抗差值；

圖6通過三維石墨烯界面對單細(xì)胞進(jìn)行實時的CCD記錄和電信號提取

浙江理工大學(xué)理學(xué)院劉愛萍教授和機(jī)械學(xué)院陳本永教授為該論文的共同通訊作者，第一作者為碩士生王夏華，浙江理工大學(xué)是該論文的第一單位和通訊單位。該工作得到了長江學(xué)者獎勵計劃創(chuàng)新研究團(tuán)隊經(jīng)費、國家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金的資金支持。

該論文作者為：Xiahua Wang, Aiping Liu, Yun Xing, Hongwei Duan, WeizhongXu, Qi Zhou, Huaping Wu, Cen Chen, Benyong Chen

原文鏈接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566318300204