石墨烯场效应生物传感器的构建及用于中叶素心肌保护作用的研究

Cardiac hypertrophy is a major cause of heart failure, accompanied with the changes of ion channels, which leads to abnormal electrical activities in the heart. The effective detection of these changes contribute positively to the investigation of pathological mechanism and development of drug discovery. In this project, we developed a advanced electrophysiological recording technology based on graphene field-effect transistors biosensor by the micro-nanofabrication technology.The graphene was used as the sensing element to amplify weak signals, which have the advantages of high electrical conductivity, strong mechanical strength and excellent electrochemical stability. We has finished the preparation of multi-channel array chip and achieved a high signal-to-noise ratio of electrical signals recorded in cardiomyocytes. Based on these results, we will use this technology to record the electrical signals from cardiac myocytes with hypertrophy in vivo and in vitro, and the electrophysiological effect of intermedin, which is an endogenous peptide with the protection function，and these results will be confirmed by by further studies of biochemical markers in cardiac hypertrophy The overall goal of this project is to develop a new electrophysiological technique with the advantages of highly sensitive, non-invasive, long time and high-throughput, for the treatment of cardiovascular disease associated with cardiac hypertrophy and the discovery of new drugs.

心肌肥大是心衰的主要诱因，病发时伴有离子通道的变化，导致异常的电学活动，对其有效的检测有助于病变机制的研究和治疗药物的开发。本项目中我们通过研制新型的石墨烯场效应生物传感芯片，建立了一种先进的电生理检测技术。该技术是利用石墨烯的电导率高、机械强度好和电化学稳定等优势，通过微纳米加工将其制作成敏感元件，以实现对微弱信号的放大作用。目前已完成了多通道芯片阵列的架构，在预实验中记录到了高信噪比的心肌细胞电信号。在此基础上，采用该技术长时程检测心肌肥大的细胞和在体动物心脏的电信号，研究具有心肌保护功能的内源性多肽“中叶素”（Intermedin）的电生理作用，同时通过对心肌肥大生化指标的表征进一步验证相关结果。本项目的开展，将为生物表征学及药理学的研究提供一种高灵敏、非侵入、长时程、高通量的新型电生理学检测技术，为与心肌肥大相关的心血管疾病的防治提供可靠的理论依据及有效的药物筛选手段。

心脏组织的病变常常伴随着其电学活动的异常，对其有效的检测有助于病变机制的研究和治疗药物的开发，为此需要开发高灵敏、非侵入、长时程、高通量的新型电生理检测技术。基于此研究目的，本课题充分发挥石墨烯及碳纳米管等新型碳纳米材料电导率高、机械强度好和电化学稳定等优势，分别采用了机械剥离、化学气相沉积及氧化还原法三种方法制备了不同类型的石墨烯、石墨烯与碳纳米管等新型复合材料，并对其性能进行系统表征，以满足构建不同类型传感器件对纳米材料的薄膜质量、面积大小及工艺复杂度的不同要求；利用不同来源的石墨烯及其它纳米材料，通过优化微纳米加工技术，构建了基于刚性及柔性基底、全碳及多种材料复合的单器件或器件阵列等多种类型的碳纳米传感器件，并对其电学性能及在生理盐溶液中的稳定性及灵敏度进行了表征，实现了对传感器件的构建优化，大大提高了其对微弱信号检测的灵敏度、稳定性及适用范围。在此基础上，利用多种类型碳纳米传感器件，实现了对实验动物离体心肌细胞及在体心脏电生理信号的高灵敏检测，研究了心肌肥大相关药物异丙肾上腺素对心肌细胞及动物在体心脏的急性作用，为生物表征学及药理学的研究提供了多种高灵敏、非侵入、长时程、高通量的新型电生理学检测技术，为与心肌肥大相关的心血管疾病的理论研究及药物筛选提供了新的手段。