Matriz de sensor capacitivo baseada em CMOS para caracterização e rastreamento de células biológicas

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 13839 (2022) Citar este artigo

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A caracterização e rastreamento de células biológicas utilizando biossensores são necessários para muitas áreas científicas, especificamente para monitoramento de culturas celulares. Sensores capacitivos oferecem uma ótima solução devido à sua capacidade de extrair muitas características, como posição, formato e capacitância das células biológicas. Através deste estudo, um biochip baseado em CMOS que consiste em uma matriz de sensores capacitivos (CSM), utilizando um circuito de leitura de pixel baseado em oscilador de anel (PRC), é projetado e simulado para rastrear e caracterizar uma única célula biológica com base em seu mencionado acima. recursos diferentes. O biochip proposto é simulado para caracterizar uma única célula de carcinoma hepatocelular (HCC) e uma única célula hepática normal (NLC). O COMSOL Multiphysics foi utilizado para extrair os valores de capacitância do HCC e NLC e testar o desempenho do CSM em diferentes distâncias do analito. A capacidade do PRC de detectar os valores de capacitância extraídos do HCC e NLC é avaliada usando o Virtuoso Analog Design Environment. Um novo algoritmo é desenvolvido para animar e prever a localização e a forma da célula biológica testada, dependendo das leituras de capacitância do CSM simultaneamente, usando o script MATLAB R2022a. Os resultados de ambos os modelos, a capacitância medida do CSM e a frequência correlacionada do circuito de leitura, mostram a capacidade do biochip de caracterizar e distinguir entre HCC e NLC.

Monitorar e visualizar o movimento e o crescimento das células sob um atuador físico ou condições de cultura celular são aplicações críticas para muitos cientistas biológicos1. Os biossensores são amplamente utilizados devido à sua capacidade de fornecer informações fisiológicas contínuas e em tempo real por meio de medições dinâmicas e não invasivas das propriedades físicas das células biológicas em biofluidos, como suor, lágrimas, saliva e fluido intersticial2. Além disso, oferecem alta precisão, velocidade, portabilidade, baixo custo e baixo consumo de energia2. Isso distingue os chips integrados em relação a tais aplicações dos métodos tradicionais, como o processamento de imagens microscópicas, que são mais complexos, carecem de portabilidade e têm custo mais elevado3.

Além disso, estas técnicas tradicionais são demoradas porque requerem vários passos para a preparação da amostra. Por vezes são tóxicos, tornando-os impróprios para leitura contínua e necessitando de uma área mais extensa4.

A implementação de biossensores baseados em tecnologias Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) oferece alto rendimento1. A tecnologia CMOS tem muitas outras vantagens, como a capacidade de encaixar um grande número de sensores com seus circuitos eletrônicos associados para criar um único Laboratory on Chip (LOC), reduzindo o tempo consumido em análises biológicas, como análise de DNA5, detecção de câncer6,7 , monitoramento contínuo da glicose8 e detecção neuroquímica9.

Os sensores capacitivos baseados em CMOS não apenas apresentam compacidade, mas também apresentam alta sensibilidade para muitas aplicações biológicas4. Os sensores capacitivos dependem da detecção de uma mudança dielétrica acima ou entre os eletrodos capacitivos. Uma mudança dielétrica ocorre devido à nuvem iônica na membrana celular quando a célula é introduzida acima dos sensores capacitivos . Esta mudança é pequena e, portanto, requer medição usando um circuito de leitura capacitivo suscetível.

Trabalhos anteriores na área de sensores capacitivos baseados em CMOS concentraram-se na caracterização ou imagem de analitos. Senevirathna, Bathiya Prashan, et al. desenvolveram um array capacitivo baseado em CMOS para quantificar a proliferação e adesão celular . Nabovati et al. projetou um array capacitivo baseado em CMOS para monitorar o crescimento contínuo de células aderentes . Couniot et al. projetou um array capacitivo baseado em CMOS para detectar uma única célula bacteriana . Zhang et al. projetou um sensor capacitivo baseado em imagem para detecção de defeitos15. Laborde et al. desenvolveu um conjunto de sensores capacitivos de alta densidade para gerar imagens de micropartículas e células vivas .