人類(lèi)一直著迷于逆向工程，無(wú)論是制造科學(xué)怪人還是人造器官。使用器官芯片和組織工程技術(shù)，讓科幻正慢慢成為現(xiàn)實(shí)。在器官 - 芯片技術(shù)中，人體器官的生理功能在微流體通道內(nèi)被模擬。組織工程可能涉及腳手架內(nèi)活細(xì)胞的生物印刷以模仿整個(gè)器官。這兩種技術(shù)都為開(kāi)發(fā)個(gè)性化藥物和研究疾病模型提供了極大的希望。這項(xiàng)技術(shù)的成功應(yīng)用將取決于維持健康細(xì)胞環(huán)境的能力，并監(jiān)測(cè)微流控通道內(nèi)的生物過(guò)程長(zhǎng)達(dá)一段時(shí)間（?2-4周）。通過(guò)將傳感器集成到微流體通道內(nèi)，這些參數(shù)可以連續(xù)監(jiān)測(cè)。將傳感器集成到微流體通道的優(yōu)點(diǎn)是：

· 通道內(nèi)無(wú)標(biāo)簽連續(xù)監(jiān)測(cè)細(xì)胞健康

· 微流體通道中的微量（微微升）能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度的檢測(cè)

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

真正模仿人體生理學(xué)

活細(xì)胞甚至對(duì)其環(huán)境中的微小變化也很敏感，并且響應(yīng)這些變化釋放某些分子。監(jiān)測(cè)這些分子提供了有關(guān)健康狀況的有價(jià)值信息，并且可以預(yù)測(cè)對(duì)藥物的反應(yīng)。例如，Zhang等人 開(kāi)發(fā)了一種多傳感器集成芯片上元件平臺(tái)，通過(guò)使用光學(xué)傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)微環(huán)境參數(shù)，例如pH，氧氣和溫度。此外，作者開(kāi)發(fā)了無(wú)標(biāo)記電化學(xué)免疫生物傳感器，用于連續(xù)監(jiān)測(cè)組織工程分泌的分子微流體通道內(nèi)的器官。這項(xiàng)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(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

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

圖1顯示了來(lái)自集成到微流體通道的傳感器的反饋如何用于調(diào)節(jié)細(xì)胞培養(yǎng)的微環(huán)境的示意圖。傳感器可以持續(xù)監(jiān)測(cè)通道內(nèi)的生物物理和生物化學(xué)參數(shù)，并將這些信息直接傳達(dá)給計(jì)算機(jī)，然后使用泵調(diào)整新鮮細(xì)胞培養(yǎng)基的流入量。通道與細(xì)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(yīng)用的細(xì)胞活力，并使我們更接近于真正模仿人體生理學(xué)。

目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出用于測(cè)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(yīng)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(gè)挑戰(zhàn)。他們?nèi)缦拢?/span>

生物污染

使用傳感器進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的主要挑戰(zhàn)之一是表面的生物污染。生物結(jié)垢是指在感測(cè)材料表面上形成薄的生物膜，這導(dǎo)致傳感器的性能降低。在生物環(huán)境中感測(cè)時(shí)，這個(gè)問(wèn)題尤其會(huì)被放大。已經(jīng)有幾種策略來(lái)減輕傳感器的生物污染。例如，表面改性（硅烷化）是延長(zhǎng)傳感器壽命的流行技術(shù)。

制造技術(shù)

以往使用的軟光刻用于制造微流體設(shè)備時(shí)，需要修改以直接集成傳感器到通道。諸如粘合PDMS表面和對(duì)準(zhǔn)通道內(nèi)的傳感器等問(wèn)題可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。樂(lè)高和盒式裝配等新制造技術(shù)在制造片上器件方面越來(lái)越受歡迎，因?yàn)?/span>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?jìng)鞲衅鞯臋z測(cè)極限。在mg / L或ng / L范圍內(nèi)以低體積（皮升）感應(yīng)時(shí)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(cè)中的高靈敏度而受到歡迎。選擇性是這些傳感器的另一個(gè)主要挑戰(zhàn)。該參數(shù)指的是傳感器僅檢測(cè)具有高信噪比的特定分子的能力。細(xì)胞培養(yǎng)基中各種干擾物質(zhì)的存在對(duì)于特異性地檢測(cè)感興趣的分子可能是一個(gè)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(shù)帶來(lái)了新的需求和挑戰(zhàn)。器官 - 芯片和組織工程為個(gè)性化醫(yī)學(xué)，藥物開(kāi)發(fā)和研究具有更復(fù)雜生理相關(guān)系統(tǒng)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(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)微環(huán)境中的生物物理和生物化學(xué)參數(shù)來(lái)提高這些技術(shù)的性能。