Matrice di sensori capacitivi basata su CMOS per la caratterizzazione e il tracciamento delle cellule biologiche

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13839 (2022) Citare questo articolo

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La caratterizzazione e il tracciamento delle cellule biologiche mediante biosensori sono necessari per molti campi scientifici, in particolare per il monitoraggio delle colture cellulari. I sensori capacitivi offrono un'ottima soluzione grazie alla loro capacità di estrarre molte caratteristiche come la posizione, la forma e la capacità delle cellule biologiche. Attraverso questo studio, un biochip basato su CMOS costituito da una matrice di sensori capacitivi (CSM), che utilizza un circuito di lettura dei pixel (PRC) basato su oscillatore ad anello, è progettato e simulato per tracciare e caratterizzare una singola cellula biologica in base alle sue caratteristiche sopra menzionate. caratteristiche diverse. Il biochip proposto viene simulato per caratterizzare una singola cellula di carcinoma epatocellulare (HCC) e una singola cellula di fegato normale (NLC). COMSOL Multiphysics è stato utilizzato per estrarre i valori di capacità di HCC e NLC e testare le prestazioni del CSM a diverse distanze dall'analita. La capacità del PRC di rilevare i valori di capacità estratti di HCC e NLC viene valutata utilizzando Virtuoso Analog Design Environment. È stato sviluppato un nuovo algoritmo per animare e prevedere la posizione e la forma della cellula biologica testata in base alle letture della capacità del CSM simultaneamente utilizzando lo script MATLAB R2022a. I risultati di entrambi i modelli, la capacità misurata dal CSM e la frequenza correlata dal circuito di lettura, mostrano la capacità del biochip di caratterizzare e distinguere tra HCC e NLC.

Il monitoraggio e la visualizzazione del movimento e della crescita delle cellule tramite un attuatore fisico o in condizioni di coltura cellulare sono applicazioni fondamentali per molti scienziati biologici1. I biosensori sono ampiamente utilizzati per la loro capacità di fornire informazioni fisiologiche continue e in tempo reale tramite misurazioni dinamiche e non invasive delle proprietà fisiche delle cellule biologiche nei biofluidi, come sudore, lacrime, saliva e fluido interstiziale2. Inoltre, offrono elevata precisione, velocità, portabilità, basso costo e basso consumo energetico2. Ciò distingue i chip integrati per quanto riguarda tali applicazioni dai metodi tradizionali come l'elaborazione di immagini microscopiche, che sono più complessi, mancano di portabilità e hanno costi più elevati3.

Inoltre, queste tecniche tradizionali richiedono molto tempo perché richiedono diverse fasi per la preparazione del campione. Talvolta sono tossici, il che li rende inadatti alla lettura continua e necessitano di un'area più estesa4.

L'implementazione di biosensori basati su tecnologie CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) offre un rendimento elevato1. La tecnologia CMOS presenta molti altri vantaggi, come la possibilità di adattare un gran numero di sensori con i relativi circuiti elettronici associati per creare un unico Laboratory on Chip (LOC), riducendo il tempo impiegato nelle analisi biologiche come l'analisi del DNA5, il rilevamento del cancro6,7 , monitoraggio continuo del glucosio8 e rilevamento neurochimico9.

I sensori capacitivi basati su CMOS non solo sono compatti, ma presentano anche un'elevata sensibilità per molte applicazioni biologiche4. I sensori capacitivi si basano sul rilevamento di una variazione dielettrica sopra o tra gli elettrodi capacitivi. Si verifica un cambiamento dielettrico a causa della nuvola ionica nella membrana cellulare quando la cella viene introdotta sopra i sensori capacitivi10. Questo cambiamento è minimo e pertanto richiede la misurazione utilizzando un circuito di lettura capacitivo suscettibile.

Il lavoro precedente nel campo dei sensori capacitivi basati su CMOS si è concentrato sulla caratterizzazione o sull'imaging degli analiti. Senevirathna, Bathiya Prashan et al. ha sviluppato un array capacitivo basato su CMOS per quantificare la proliferazione e l'adesione cellulare11,12. Nabovati et al. ha progettato un array capacitivo basato su CMOS per monitorare la crescita continua delle cellule aderenti13. Couniot et al. ha progettato un array capacitivo basato su CMOS per rilevare una singola cellula batterica14. Zhang et al. ha progettato un sensore capacitivo basato sull'imaging per il rilevamento dei difetti15. Laborde et al. ha sviluppato una serie di sensori capacitivi ad alta densità per visualizzare microparticelle e cellule viventi16.