記錄具有電生理學(xué)特性的細(xì)胞動(dòng)作電位（AP）對(duì)于理解亞細(xì)胞功能原理以及推進(jìn)藥物開(kāi)發(fā)具有重要意義。對(duì)于心肌細(xì)胞尤其如此，因?yàn)榕c細(xì)胞外場(chǎng)電位（FP）相比，AP信號(hào)能提供更豐富的細(xì)胞功能信息。AP持續(xù)時(shí)間、去極化率和復(fù)極化時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)，是預(yù)測(cè)心肌細(xì)胞心律失常的重要指標(biāo)。細(xì)胞內(nèi)AP可捕捉心肌細(xì)胞收縮過(guò)程中與時(shí)間相關(guān)的膜電位變化，從而量化快速去極化和復(fù)極化率。此外，細(xì)胞內(nèi)AP的變化與心臟的興奮傳導(dǎo)和收縮功能直接相關(guān)。

因此，可靠、高通量的細(xì)胞內(nèi)AP檢測(cè)方法，對(duì)于全面了解心臟發(fā)病機(jī)制及有效篩選藥物至關(guān)重要。膜片鉗技術(shù)被認(rèn)為是檢測(cè)細(xì)胞電信號(hào)的金標(biāo)準(zhǔn)，全細(xì)胞膜片鉗能夠測(cè)量細(xì)胞內(nèi)AP。此外，電壓敏感染料有助于觀察單個(gè)和多個(gè)心肌細(xì)胞中的細(xì)胞AP。然而，膜片鉗方法通量低，可能對(duì)細(xì)胞造成不可逆損傷，而電壓敏感染料通常具有細(xì)胞毒性，需要復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置和顯微鏡操作系統(tǒng)。利用微加工技術(shù)制造的微電極陣列（MEA）可以同時(shí)對(duì)多個(gè)細(xì)胞進(jìn)行長(zhǎng)期記錄，而且可以在微電極陣列上直接進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)，提高了用戶友好性。

為了提高細(xì)胞-微電極耦合和電生理信號(hào)測(cè)量的質(zhì)量，業(yè)界已經(jīng)開(kāi)發(fā)了具有納米結(jié)構(gòu)的被動(dòng)和主動(dòng)納米級(jí)電極陣列。生物電子平臺(tái)已經(jīng)證明，施加脈沖電壓有可能使細(xì)胞產(chǎn)生可逆的納米孔，從而實(shí)現(xiàn)額外的功能，如細(xì)胞轉(zhuǎn)染或細(xì)胞電位檢測(cè)。微電極不僅可以作為電信號(hào)檢測(cè)的媒介，還可以發(fā)出電脈沖進(jìn)行細(xì)胞膜電穿孔。為了探測(cè)單細(xì)胞內(nèi)的AP，通常需要使用微納米加工技術(shù)對(duì)電極進(jìn)行絕緣處理，獲得直徑小于10μm的微電極。尺寸更小的電極需要更高的加工精度，這使得微納米加工過(guò)程更加復(fù)雜。而較小的電極與心肌細(xì)胞的密封電阻較高，可最大限度地減少電流泄漏，并通過(guò)降低背景噪聲提高信號(hào)質(zhì)量。較大的電極往往阻抗較低，可減少熱噪聲，提高信噪比（SNR）。

對(duì)于心肌細(xì)胞細(xì)胞內(nèi)AP檢測(cè)，目前還缺乏針對(duì)微米級(jí)電極暴露區(qū)域差異的研究。因此，系統(tǒng)地研究電極尺寸如何影響信噪比、穿孔效率和心肌細(xì)胞AP持續(xù)時(shí)間等參數(shù)至關(guān)重要。據(jù)麥姆斯咨詢介紹，中山大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員近期在Microsystems&Nanoengineering上發(fā)表了一篇題為“Multi-sized microelectrode array coupled with micro-electroporation for effective recording of intracellular action potential”的論文。

在這項(xiàng)工作中，研究人員介紹了不同微米尺寸的微電極對(duì)細(xì)胞內(nèi)AP信號(hào)質(zhì)量和細(xì)胞內(nèi)記錄指標(biāo)參數(shù)的影響。首先，研究人員通過(guò)無(wú)源電路仿真建模確定，在降低細(xì)胞膜阻抗的情況下，電穿孔后使用平面電極記錄的心肌細(xì)胞電生理信號(hào)波形與細(xì)胞內(nèi)AP波形一致。接下來(lái)，研究人員通過(guò)三維仿真模型優(yōu)化了電穿孔電壓，并探討了電極尺寸對(duì)跨膜電壓、電流密度和電場(chǎng)強(qiáng)度的影響。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝制造了不同尺寸的微電極陣列，包括混合尺寸微電極陣列（Mix-MEA）和多尺寸微電極陣列（MSMEA）。通過(guò)將這兩種類型的微電極陣列結(jié)合微米電穿孔，記錄了不同培養(yǎng)環(huán)境下心肌細(xì)胞的細(xì)胞內(nèi)AP。

微電穿孔的細(xì)胞內(nèi)AP記錄和細(xì)胞-電極界面的仿真模型

對(duì)電生理信號(hào)的分析表明，電極阻抗對(duì)細(xì)胞內(nèi)AP的振幅和信噪比影響較大。隨著微電極尺寸的增加，細(xì)胞內(nèi)AP的振幅和信噪比分別增加了220%和70%?？缒る妷汉碗妶?chǎng)強(qiáng)度對(duì)穿孔效率、AP持續(xù)時(shí)間和記錄到的單細(xì)胞信號(hào)比例的影響更大。

隨著微電極尺寸的增大，穿孔效率、AP持續(xù)時(shí)間和記錄到的單細(xì)胞信號(hào)比例分別下降了18.8%、17.5%和19.5%。在3 V電穿孔電壓下，不同尺寸的微電極對(duì)心肌細(xì)胞的自動(dòng)調(diào)節(jié)沒(méi)有顯著影響。這項(xiàng)研究表明，微電穿孔技術(shù)可應(yīng)用于各種尺寸的微電極，使細(xì)胞內(nèi)記錄超越了高分辨率微電極的限制。通過(guò)將該技術(shù)應(yīng)用于更大的微電極，為使用更具成本效益的制造方法制造能夠進(jìn)行高質(zhì)量細(xì)胞內(nèi)AP記錄的微電極帶來(lái)了新機(jī)遇。這種方法有可能提高基于微電極陣列的細(xì)胞內(nèi)記錄設(shè)備和實(shí)驗(yàn)設(shè)置的靈活性。

這項(xiàng)研究的創(chuàng)新之處在于發(fā)現(xiàn)直徑為100μm或更大的微電極仍能實(shí)現(xiàn)高效、安全的細(xì)胞電穿孔。傳統(tǒng)上，增大電極尺寸會(huì)影響電場(chǎng)定位能力，對(duì)細(xì)胞穿孔效率產(chǎn)生負(fù)面影響，并可能因影響較大面積的膜而損害細(xì)胞健康。因此，以往的研究側(cè)重于開(kāi)發(fā)直徑在100 nm到10μm之間的微納米電極，用于細(xì)胞穿孔和信號(hào)記錄。然而，這些電極需要復(fù)雜的微納制造技術(shù)，限制了某些材料的生產(chǎn)，或必須在聚合物基底上進(jìn)行加工。研究人員首次證明，直徑超過(guò)100μm的微電極不僅能保持較高的穿孔效率和安全性，而且在記錄細(xì)胞內(nèi)信號(hào)方面表現(xiàn)出很強(qiáng)的性能。

這一發(fā)現(xiàn)大大提高了微電極制造的靈活性，較大的電極（例如超過(guò)100μm的電極），無(wú)需依賴復(fù)雜的光刻微加工技術(shù)即可制造。激光加工、絲網(wǎng)印刷或掩膜磁控濺射等其他制造方法，可以快速制造此類電極。例如，使用這些技術(shù)可以高效地制備出直徑為100μm的石墨烯基微電極陣列。這些較大電極具有出色的細(xì)胞穿孔效率和細(xì)胞內(nèi)信號(hào)記錄能力，這一發(fā)現(xiàn)為推進(jìn)微電極陣列的開(kāi)發(fā)提供了寶貴的啟示，有望使其成為細(xì)胞內(nèi)信號(hào)記錄應(yīng)用的理想工具。