可用于长期芯片上器官监测的坚固且可重复使用的氧化铱改性FTO电极

《Biosensors and Bioelectronics》：Robust and reusable iridium oxide-modified FTO electrodes for long-term organ-on-a-chip monitoring

　　

Kaige Chen|Fan Zhuo|Changling Lv|Zeyu Chen|Xiang Chen|Han Shan

中国长沙410078，中南大学芙蓉实验室

摘要

在芯片上的器官系统中实现实时监测对于捕捉药物作用的动态变化至关重要。然而，目前用于电化学细胞-基底阻抗检测的技术所依赖的标准金电极存在不透明、成本高且重复使用性差等问题。在此，我们基于氧化铱改性的掺氟氧化锡材料，开发出一种透明、坚固且可重复使用的传感界面。通过将纳米结构的氧化铱电沉积到氧化锡上，利用其伪电容特性显著提升了界面性能，从而在保持光学透明度的同时提高了检测灵敏度。我们将这些电极集成到128通道的高通量平台上，用于监测HaCaT角质形成细胞。该系统能够更精准地检测表面活性剂引起的屏障功能破坏以及多柔比星不同剂量下的细胞毒性反应，其精度优于普通的氧化锡电极。更重要的是，经过多次培养和清洗的循环测试表明，氧化铱改性氧化锡电极具有出色的基线稳定性，远优于会出现严重降解和分层现象的金电极。这项工作为在先进的微生理系统中实现长期、多模式的持续监测提供了一种可扩展、光学兼容且成本效益高的解决方案。

引言

芯片上的器官技术是生物医学工程领域的一项重要突破。这类微流控系统能够模拟人体器官的多细胞结构及物理化学微环境，为评估药物的功效和毒性提供了强大的平台（Bhatia和Ingber，2014；Li等人，2024；Low等人，2021）。对生物屏障的建模对于评估治疗性化合物的渗透性和细胞毒性尤为重要（Henry等人，2017；Vera等人，2024）。不过，这类微生理系统的潜力在很大程度上取决于用于监测细胞状态的分析方法。尽管在平台设计方面取得了进展，但现有的大多数设备仍依赖于终点分析来评估细胞反应。免疫荧光染色和西方印迹法等技术通常需要终止实验或破坏样本。而光学显微镜虽然可以观察细胞的形态，却往往无法提供关于屏障完整性的定量、实时数据。因此，迫切需要在芯片上的器官系统中整合非侵入式的连续监测功能，以便全面了解细胞动态的变化过程（Holzreuter和Segerink，2024；Malik等人，2025）。

为了解决这些限制，采用电化学传感器结合电阻抗谱技术进行监测逐渐成为一种重要手段。电化学细胞-基底阻抗检测技术可以通过测量电极与细胞界面之间的交流电阻，实现细胞附着情况以及屏障功能的自动、连续监测（Giaever和Keese，1993；Ke等人，2011；Schaller等人，2024；Schimetz等人，2024）。该技术能够提供关于屏障完整性的定量指标，且对细胞间紧密连接的变化极为敏感。由于具有高导电性和生物相容性，金电极目前是这类应用中的标准材料（Chen等人，2019；Nazari等人，2023）。然而，金电极在用于构建可扩展的芯片上的器官系统时存在诸多问题。首先，金材料价格昂贵且不透明，这不仅不利于观察细胞，还使得无法使用透射显微镜进行形态学分析（Zamani等人，2023）。此外，薄膜状的金电极往往机械强度和粘附性较差，在需要重复清洗以重新使用设备时容易发生分层现象。这种不稳定性会导致基线值出现漂移，降低多次实验中的测量重复性。在寻找兼具光学透明性与电化学稳定性的替代材料过程中，透明导电氧化物受到了广泛关注。与氧化铟锡相比，掺氟氧化锡在生理环境中的化学稳定性和抗腐蚀性更为优异，因此是一种极具潜力的候选材料（Sun等人，2023；Wen等人，2024）。不过，未经改性的透明导电氧化氧化物的界面阻抗通常高于贵金属。为了解决这一问题，采用伪电容材料对表面进行修饰，是一种能够在不牺牲光学透明度的同时提升电化学性能的策略。氧化铱因其极高的电荷存储能力以及出色的生物相容性，尤其值得关注（Sun等人，2023）。

在本研究中，我们基于氧化铱改性的氧化锡材料，开发出一种透明且可重复使用的电化学细胞-基底阻抗检测电极。研究表明，通过电沉积纳米结构的氧化铱层，可以将4 kHz频率下的相位角从-12°改变为-4°，从而改善界面性能，提升细胞监测时的信噪比。通过让HaCaT角质形成细胞暴露于表面活性剂中，以及接受不同剂量的化疗处理，我们发现使用氧化铱改性氧化锡电极获得的阻抗信号更为强劲，其变化程度也比普通氧化锡电极低78.51%。此外，经过多次清洗循环的耐用性测试表明，氧化铱改性氧化锡电极的性能远远优于金电极，后者会出现严重的基线漂移和明显的降解现象。最后，我们将这些传感器集成到128通道的并行测量系统中，以实现高通量的检测验证。我们的研究为在先进的微生理系统中实现持续监测提供了一种可靠的解决方案。

内容片段

材料与试剂

氧化锡玻璃基板（厚度：1.6毫米；方阻：14欧姆/平方）购自NSG（日本板玻璃公司），被用作透明电极基板。金电极作为对照电极，则是在JGS2石英玻璃基板上制备的，先涂覆10纳米厚的铬粘附层，再覆盖100纳米厚的金层。

氧化铱的前驱体溶液是在去离子水中配制的，所用原料为三氯化铱（纯度为98%，来自中国上海的Bide Pharmatech公司）。

IrOx@FTO电极的平台设计与制备

我们的细胞屏障功能评估平台如图1A所示。细胞在带有集成电极的培养室中生长，阻抗值可作为无需标记的检测指标。当药物破坏细胞层时（例如细胞裂解或凋亡），阻抗值预计会下降。这一特性使得我们可以实时监测药物的作用效果。检测质量的优劣在很大程度上取决于电极的设计，因为电极的放置位置和材质都会显著影响屏障功能评估的准确性。

结论

总之，我们基于图案化的氧化铱改性氧化锡电极，开发出一种透明且可重复使用的电化学细胞-基底阻抗检测平台。这种混合架构巧妙地将氧化锡的光学透明度与氧化铱出色的界面电化学性能相结合，使得能够在4千赫兹的固定频率下，实现对细胞动态变化的敏感、无需标记的监测。我们通过让HaCaT角质形成细胞面临表面活性剂的急性刺激以及不同剂量的化疗处理，对该平台进行了验证，获得了较为清晰的检测结果。

CRediT作者贡献说明

Zeyu Chen：指导工作，负责文章的审阅与编辑工作。Xiang Chen：负责资金筹集工作，同时承担指导及文章审阅编辑职责。Fan Zhuo：负责实验研究工作，协助获取实验资源。Changling Lv：负责实验研究工作。Han Shan：负责资金筹集、项目管理、资源协调、指导工作以及文章的审阅与编辑。Kaige Chen：负责实验研究、方法设计以及文章初稿的撰写工作。

未引用参考文献

Wu，2025年。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了以下机构的支持：中国国家自然科学基金（项目编号：52305295）、芙蓉实验室的科学研究计划（项目编号：2024PT5110、2025PT5027）、博士后科研基金以及中国博士后科学基金会（项目编号：BX20250262、2025M782310），还有湖南省自然科学基金（项目编号：2026JJ60551）。