細(xì)胞電生理信號的精準(zhǔn)檢測，是解析單細(xì)胞功能特性、揭示細(xì)胞群協(xié)同作用機(jī)制以及推動疾病早期診斷與病理研究的核心技術(shù)支撐。當(dāng)前，主流的細(xì)胞電生理信號檢測技術(shù)主要分為膜片鉗技術(shù)與微電極陣列技術(shù)兩大類，二者在原理與應(yīng)用場景上各有特點(diǎn)，也存在明顯的技術(shù)局限。

其中，膜片鉗技術(shù)通過玻璃微電極與細(xì)胞形成緊密封接，實(shí)現(xiàn)對單細(xì)胞電信號的高分辨率記錄。然而，該技術(shù)存在顯著短板：一是設(shè)備整體成本高昂，且操作門檻高；二是設(shè)備運(yùn)行過程中對環(huán)境穩(wěn)定性（如溫度、振動、濕度）要求苛刻，難以在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下大規(guī)模應(yīng)用；三是受限于電極與細(xì)胞的密封方式，難以實(shí)現(xiàn)對同一細(xì)胞或細(xì)胞群的長期、動態(tài)電信號監(jiān)測，在長時間生理過程研究中應(yīng)用受限。

與之相比，微電極陣列技術(shù)憑借其獨(dú)特優(yōu)勢，在細(xì)胞電生理監(jiān)測領(lǐng)域展現(xiàn)出更廣闊的應(yīng)用前景。該技術(shù)通過在細(xì)胞培養(yǎng)基底上大范圍集成微型電極陣列，可實(shí)現(xiàn)對多個細(xì)胞位點(diǎn)電信號的無創(chuàng)同步記錄，同時還能對細(xì)胞進(jìn)行持續(xù)的電刺激，因此適用于單細(xì)胞電活動分析及細(xì)胞群功能的長期動態(tài)監(jiān)測。然而，目前商用微電極陣列均基于二維平面基底加工而成，電極僅能與細(xì)胞底部形成局部接觸，直接導(dǎo)致了三大技術(shù)問題：一是細(xì)胞電信號采集靈敏度低，難以捕捉微弱的電生理變化；二是信號信噪比差，易受背景噪聲干擾，影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性；三是記錄穩(wěn)定性弱，長期監(jiān)測過程中信號易漂移。同時，二維結(jié)構(gòu)無法在三維空間維度上實(shí)現(xiàn)細(xì)胞不同位點(diǎn)電信號的精準(zhǔn)提取與針對性電刺激，難以全面反映細(xì)胞的立體電生理特性。

從生理環(huán)境模擬角度來看，生物體內(nèi)細(xì)胞的各項(xiàng)生理活動均處于復(fù)雜的三維物理/生化微環(huán)境中，而二維平面微電極陣列無法還原這一真實(shí)生理環(huán)境，導(dǎo)致其檢測到的細(xì)胞電信號與體內(nèi)真實(shí)信號存在偏差，嚴(yán)重時甚至?xí)?shí)驗(yàn)結(jié)論產(chǎn)生誤導(dǎo)，制約了細(xì)胞電生理研究結(jié)果向臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。因此，研發(fā)一種兼具三維細(xì)胞培養(yǎng)功能與三維電信號檢測能力的集成化電生理平臺，已成為當(dāng)前細(xì)胞生物學(xué)與生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的迫切需求。

在三維電生理平臺的加工制備方面，目前主流技術(shù)仍采用傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝，通過光刻、刻蝕、薄膜沉積等一系列復(fù)雜工藝構(gòu)建三維微電極結(jié)構(gòu)。這類方法存在固有缺陷：工藝流程繁瑣且步驟多，對加工環(huán)境（如潔凈度、真空度）要求苛刻；加工設(shè)備投資成本高昂，難以實(shí)現(xiàn)低成本規(guī)模化生產(chǎn)；同時，受限于光刻分辨率與刻蝕工藝的靈活性，三維結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)自由度低，無法根據(jù)不同細(xì)胞類型或?qū)嶒?yàn)需求快速調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，難以滿足個性化研究需求。

近年來，3D打印技術(shù)憑借其卓越的三維結(jié)構(gòu)成型能力與靈活的定制化優(yōu)勢，為三維電生理平臺的制備提供了新的技術(shù)路徑。然而，常用的3D打印技術(shù)（如噴墨打印、擠出式打印）仍存在明顯不足：一方面，打印材料的導(dǎo)電性較差，難以滿足微電極對高電導(dǎo)率的要求，需額外進(jìn)行導(dǎo)電層修飾，增加了工藝復(fù)雜度；另一方面，打印精度有限，無法達(dá)到亞細(xì)胞尺度（＆lt;10μm）微電極的加工要求，進(jìn)而難以實(shí)現(xiàn)對單細(xì)胞微小區(qū)域電信號的精準(zhǔn)探測。

由此可見，現(xiàn)有加工技術(shù)均無法同時滿足三維集成化細(xì)胞電生理平臺對高精度加工、高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活度、高集成化功能的核心需求，上述技術(shù)瓶頸的突破已成為推動細(xì)胞電生理研究向更高維度、更高精度發(fā)展的關(guān)鍵所在。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種三維集成化細(xì)胞電生理平臺及其制備方法與應(yīng)用，兼顧高精度加工、高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活度和高集成化功能，適用于細(xì)胞培養(yǎng)、細(xì)胞檢測以及細(xì)胞激勵等多種場景。

為達(dá)到此發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

第一方面，本發(fā)明提供一種三維集成化細(xì)胞電生理平臺，由微電極和三維微支架組成，且所述微電極包括二維平面微電極和三維立體微電極。

其中，所述微電極用于在二維平面及三維空間對細(xì)胞施加刺激并采集電生理信號；所述三維微支架用于模擬細(xì)胞正常生理活動的三維微環(huán)境。

所述二維平面微電極和三維立體微電極的平均直徑分別獨(dú)立地為1μm以下。

本發(fā)明提供的三維集成化細(xì)胞電生理平臺通過三維微支架模擬細(xì)胞正常生理活動的三維微環(huán)境，同時采用微電極在二維平面及三維空間對細(xì)胞施加刺激并采集電生理信號，真實(shí)還原了細(xì)胞生理環(huán)境，降低了檢測信號與體內(nèi)真實(shí)信號之間的偏差，實(shí)現(xiàn)了“培養(yǎng)-刺激-記錄”的集成化功能，且1μm以下的微電極尺寸達(dá)到亞細(xì)胞尺度，滿足高精度要求，很好地兼顧了高精度加工、高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活度和高集成化功能，適用于細(xì)胞培養(yǎng)、細(xì)胞檢測以及細(xì)胞激勵等多種場景。

優(yōu)選地，所述三維微支架包括中空承載部和邊緣支撐部，用于承載并培養(yǎng)細(xì)胞。

優(yōu)選地，所述三維微支架的材質(zhì)包括聚合物，且聚合單體包括季戊四醇三丙烯酸酯（PETA）。

優(yōu)選地，所述二維平面微電極貫穿設(shè)置于所述三維微支架的底部，且微電極觸點(diǎn)暴露于所述中空承載部的鏤空區(qū)域。

優(yōu)選地，所述二維平面微電極指代在平面上具有二維形狀的微電極。

優(yōu)選地，所述二維平面微電極的材質(zhì)包括金屬鉑。

優(yōu)選地，所述三維立體微電極貼合設(shè)置于所述三維微支架的表面，且所述三維立體微電極包括具有三維空間位點(diǎn)的微電極。

優(yōu)選地，所述具有三維空間位點(diǎn)的微電極包括具有三維空間位點(diǎn)的二維形狀微電極和/或具有三維空間位點(diǎn)的三維形狀微電極。

優(yōu)選地，所述三維立體微電極還包括在平面上具有三維形狀的微電極。

優(yōu)選地，所述三維立體微電極的材質(zhì)包括金屬鉑。