Matrice de capteurs capacitifs CMOS pour la caractérisation et le suivi de cellules biologiques

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 13839 (2022) Citer cet article

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La caractérisation et le suivi des cellules biologiques à l’aide de biocapteurs sont nécessaires dans de nombreux domaines scientifiques, notamment dans le suivi des cultures cellulaires. Les capteurs capacitifs offrent une excellente solution en raison de leur capacité à extraire de nombreuses caractéristiques telles que la position, la forme et la capacité des cellules biologiques. Grâce à cette étude, une biopuce CMOS composée d'une matrice de capteurs capacitifs (CSM), utilisant un circuit de lecture de pixels (PRC) basé sur un oscillateur en anneau, est conçue et simulée pour suivre et caractériser une seule cellule biologique sur la base de ses caractéristiques susmentionnées. fonctionnalités différentes. La biopuce proposée est simulée pour caractériser une seule cellule de carcinome hépatocellulaire (CHC) et une seule cellule hépatique normale (NLC). COMSOL Multiphysics a été utilisé pour extraire les valeurs de capacité du HCC et du NLC et tester les performances du CSM à différentes distances de l'analyte. La capacité du PRC à détecter les valeurs de capacité extraites du HCC et du NLC est évaluée à l'aide de Virtuoso Analog Design Environment. Un nouvel algorithme est développé pour animer et prédire simultanément l'emplacement et la forme de la cellule biologique testée en fonction des lectures de capacité du CSM à l'aide du script MATLAB R2022a. Les résultats des deux modèles, la capacité mesurée du CSM et la fréquence corrélée du circuit de lecture, montrent la capacité de la biopuce à caractériser et à distinguer entre HCC et NLC.

La surveillance et la visualisation du mouvement et de la croissance des cellules sous un actionneur physique ou dans des conditions de culture cellulaire sont des applications essentielles pour de nombreux biologistes1. Les biocapteurs sont largement utilisés en raison de leur capacité à fournir des informations physiologiques continues et en temps réel via des mesures dynamiques et non invasives des propriétés physiques des cellules biologiques présentes dans les biofluides, tels que la sueur, les larmes, la salive et le liquide interstitiel2. De plus, ils offrent une précision, une vitesse, une portabilité élevées, un faible coût et une faible consommation d'énergie2. Cela distingue les puces intégrées en ce qui concerne ces applications des méthodes traditionnelles telles que le traitement d'images microscopiques, qui sont plus complexes, manquent de portabilité et sont plus coûteuses3.

De plus, ces techniques traditionnelles prennent du temps car elles nécessitent plusieurs étapes de préparation des échantillons. Ils sont parfois toxiques, les rendant impropres à une lecture continue et nécessitant une zone plus étendue4.

La mise en œuvre de biocapteurs basés sur les technologies CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) offre un débit élevé1. La technologie CMOS présente de nombreux autres avantages, comme la possibilité d'équiper un grand nombre de capteurs avec leurs circuits électroniques associés pour créer un seul laboratoire sur puce (LOC), réduisant ainsi le temps consacré aux analyses biologiques telles que l'analyse de l'ADN5, la détection du cancer6,7. , surveillance continue de la glycémie8 et détection neurochimique9.

Non seulement les capteurs capacitifs CMOS sont compacts, mais ils présentent également une sensibilité élevée pour de nombreuses applications biologiques4. Les capteurs capacitifs reposent sur la détection d'un changement diélectrique au-dessus ou entre les électrodes capacitives. Un changement diélectrique se produit en raison du nuage ionique dans la membrane cellulaire lorsque la cellule est introduite au-dessus des capteurs capacitifs10. Ce changement est minime et nécessite donc une mesure à l'aide d'un circuit de lecture capacitif sensible.

Les travaux antérieurs dans le domaine des capteurs capacitifs CMOS se sont concentrés sur la caractérisation ou l’imagerie des analytes. Senevirathna, Bathiya Prashan et al. développé un réseau capacitif basé sur CMOS pour quantifier la prolifération et l'adhésion cellulaires11,12. Nabovati et coll. conçu un réseau capacitif basé sur CMOS pour surveiller la croissance continue des cellules adhérentes13. Couniot et coll. conçu un réseau capacitif basé sur CMOS pour détecter une seule cellule bactérienne14. Zhang et coll. conçu un capteur capacitif basé sur l'imagerie pour la détection des défauts15. Laborde et coll. développé un réseau de capteurs capacitifs haute densité pour imager les microparticules et les cellules vivantes16.