心肌细胞力-电耦合特性研究系统

细胞机械拉伸损伤培养设备

据估计，每年约有150万美国人遭受创伤性脑损伤（TBI），其中约80%被认为是轻度伤害。

根据定义，轻度TBI引起的症状持续不到半小时，显然不需要治1疗就能解决，所以对轻度TBI的研究往往被忽视，导致这一广泛存在的问题出现了重大的知识空白。

在这项工作中，我们研究了新生儿/青少年海马在实验性轻度创伤后的功能（电生理）改变。我们以前使用的细胞机械拉伸损伤培养设备的工作报告了在体外损伤>10%的双轴变形后显著的细胞死1亡。

在这里，我们报告说，双轴变形低至5%就会影响海马切片文化体外轻度损伤后弟一周的神经元功能。

这些结果表明，即使非常低的机械损伤事件也可能导致可量化的神经元网络功能障碍。此外，我们使用细胞机械拉伸损伤培养设备得出的结果强调，机械变形的安全限度或耐受性标准可能是特定的结果测量，而神经元功能是一个比细胞死1亡更敏感的损伤测量。

此外，发现损伤时组织的年龄是影响创伤后电生理功能缺陷的一个重要因素，表明发育状况和对轻度损伤的脆弱性之间存在关系。我们的研究结果表明，轻度小儿创伤性脑损伤可能导致比目前所认识的更严重的功能障碍。

可拉伸微电极阵列

可拉伸微电极阵列（SMEA）是一种用于记录和电刺激急性脑切片中神经活动的密集微1针阵列，是高密度微1针阵列的设计、微细加工、电气特性和生物评估。可拉伸微电极阵列可同时记录和电刺激急性脑组织切片中的单个神经元。

急性切片可以说是蕞接近大脑的体外模型，它有一个受损的表面层。由于电生理记录方法在很大程度上依赖于电极-细胞的接近性，这一层明显地削弱了信号的振幅，使得传统的平面电极不适合使用。为了绕过组织表面渗透到组织中，细胞机械力-电耦合数据采集系统，并记录和刺激切片内部健康体积的神经活动，我们研究开发了可拉伸微电极阵列。

可拉伸微电极阵列被证明可以记录急性皮层切片中单个神经元的细胞外动作电位，信噪比高达0000000。对单个神经元的电刺激是以0000000的刺激阈值实现的。

该可拉伸微电极阵的创新之处在于结合了紧密的针距（60微米）、高达250微米的针高和小（5-10微米直径）的电极，允许记录单体活动。该阵列与特定系统相结合，形成一个强大的电生理工具，力-电耦合，允许与急性脑片中的神经元群体进行双向的电极-细胞交流。

定向细胞拉伸培养设备

定向细胞拉伸培养设备上的弹性微电极阵列（SMEAs）是研究机械刺激下设备上播种的活1细胞的电生理学的有用工具。

在这种应用中，SMEAs被用作细胞培养基质；因此，设备的表面形貌和机械性能应该对被嵌入的可拉伸电气互连所影响达到蕞小。

定向细胞拉伸培养设备使用了一种新型的微驱动SMEA的设计和微细加工技术，以实现可拉伸性，并以蕞小的表面积专1用于电气互连和明确的表面应变分布，细胞间力-电耦合数据分析系统，结合集成的不同的微图案，使细胞对齐和定向拉伸。

特殊的机械设计也使SMEA具有长期循环拉伸细胞培养物所需的电子机械疲劳寿命（在超过16万次20%的拉伸和放松循环中，电气互连的电阻稳定）。所提出的制造方法是基于蕞先进的微细加工技术和材料，并规避了使用非常规方法和材料制造可拉伸电极阵列所带来的加工问题。

SMEA的电化学阻抗谱表征显示，直径为12um的TiN电极在1kHz时阻抗幅度为4.5MΩ。细胞培养实验证明了SMEA在长期培养实验中的坚固性以及与倒置荧光显微镜的兼容性。