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为解决传统葡萄糖监测方法的局限性，研究人员开展了基于微柱阵列的微流控电化学装置（MED）用于细胞培养中葡萄糖水平实时监测的研究。结果显示该装置性能优异，能有效监测细胞代谢和污染情况，对生物研究和生产意义重大。
在细胞培养的微观世界里，细胞健康如同大厦的基石，支撑着生物研究和治疗性生产的稳步发展。葡萄糖，作为细胞的关键能量来源，其在细胞培养环境中的浓度变化，就像晴雨表一样，精确反映着细胞的代谢状况和活力。一直以来，传统的葡萄糖监测方法，如分光光度法和色谱法，虽在生物科技发展进程中发挥过重要作用，但却存在诸多弊端。它们就像笨重的 “巨人”，不仅需要大量人力进行样本采集，依赖庞大的设备，而且样本准备过程繁琐，实验耗时极长，还会干扰细胞培养环境，就像在平静的湖面投下巨石，破坏了细胞培养的稳定状态。
为了打破这些困境，国外的研究人员踏上了探索之旅，致力于开发一种更高效、更精准的监测工具。最终，他们成功研制出基于微柱阵列（MPA）的微流控电化学装置（MED），并将这一成果发表在《Biosensors and Bioelectronics》杂志上。
研究人员为了构建这个装置，采用了一系列关键技术方法。首先利用高精度 3D 打印结合双光子聚合技术制作 MPA 模具，再通过 PDMS 软光刻技术复制模具并制作电极。在电极表面修饰方面，依次进行普鲁士蓝（PB）电沉积、壳聚糖 - 多壁碳纳米管（Ch - MWCNTs）复合纳米材料涂覆以及葡萄糖氧化酶（GOx）固定化。此外，使用微流控稀释单元对样本进行 50 倍稀释，结合电化学分析技术，如循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）和安培测量法，来评估装置性能。
下面来看看具体的研究结果。
在生物传感器的表征方面，通过场发射枪扫描电子显微镜（FEG - SEM）对 MPA 电极的形态进行观察，发现其具有规则的结构，每个微柱高度为 150μm， tip 直径约 40μm，base 直径约 80μm ，这种结构增大了电极表面积，利于修饰和提高性能。同时，PB、Ch - MWCNTs 和 GOx 的均匀修饰也通过 SEM 得到证实。CV 和 EIS 分析显示，电极修饰过程中氧化峰电流和电荷转移电阻（Rct）发生变化，符合预期。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析进一步确认了各修饰层的成功制备。
优化 MPA 基葡萄糖生物传感器时，研究人员系统评估了多个参数。结果表明，PB 电沉积 40 个 CV 循环时，生物传感器相对响应最高；Ch 浓度为 1% 时，有利于酶固定和活性维持；MWCNT 浓度为 8mg/mL 时，能增强导电性和灵敏度；Ch/MWCNTs 纳米复合材料体积为 9μL 时，可实现有效电子转移和葡萄糖扩散； - 0.15V 为最佳工作电位。
MED 的分析性能也十分出色。在稀释的细胞培养基中，其对葡萄糖浓度在 0.025 - 1.5mM 范围内呈线性响应，灵敏度为 4.71±0.13μA mM?1，检测限为 19.10±0.50μM。在干扰研究中，常见的干扰分子对传感器响应影响极小，显示出良好的选择性。生物传感器重复使用 10 次后仍保留 90% 的初始电流响应，且在 4°C 下储存 72h 无显著变化，适合长期监测。
利用 MED 监测细胞培养中的葡萄糖水平时，对 hiPSCs 和 GP + E86 细胞系进行研究。发现 GP + E86 细胞的葡萄糖消耗与细胞数量呈线性相关，可据此识别不同生长阶段。在 hiPSCs 细胞培养中，故意引入大肠杆菌（E. coli）污染后，葡萄糖消耗速率明显增加，且高污染水平下葡萄糖浓度在 24h 出现先降后升现象，可能是细菌裂解所致。同时，MED 检测结果与超高效液相色谱（UHPLC）相当，证明了其准确性和可靠性。
综合来看，该研究成功开发的 MED 为细胞培养中葡萄糖水平的实时监测提供了有力工具。它不仅能准确跟踪细胞代谢变化，识别细胞生长阶段，还能有效检测细菌污染，显著降低未检测到污染带来的风险，提高生物产品的可靠性和纯度。不过，目前仅通过葡萄糖监测在区分细菌和哺乳动物细胞活动时存在一定局限性。未来研究可探索整合如乳酸或乳酸脱氢酶等其他生物标志物，实现对细胞健康和污染状态更全面、准确的评估，为生物研究和治疗性生产开辟更广阔的前景。
