摘要-本文報告了我們在輔助技術領域，更具體地說，是在哺乳動物胚胎的植入前培養及其通過代謝活性評估進行原位表征方面，開發的一種集成傳感平臺。整個平臺包括一個納升級培養室，該培養室集成了一個氧氣傳感器，用于監測個體胚胎的呼吸活性，作為其存活力和發育能力的標志物。我們首先討論了微流體技術在實現此類集成傳感平臺方面的關鍵優勢。接著，我們介紹了該培養裝置及其在小鼠胚胎上的驗證結果。第一階段的驗證表明，微流體技術能夠支持小鼠胚胎直至單個胚胎水平的全程發育，其出生率與傳統格式的群體培養相當。在第二步中，該裝置被升級用于人類胚胎的培養，并在捐贈的凍融胚胎上進行了測試。最后，我們描述了一種由超微電極陣列組成的氧氣傳感器，該傳感器將被集成到培養裝置中。利用這種基于超微電極的傳感器，我們還提出了一種在短時間尺度上進行測量的新方法，該方法可以顯著減少電化學測量過程中消耗的氧氣量。目前的工作重點是將該傳感器集成到培養平臺中，并在生物材料上進行驗證。該集成平臺目前正在使用作為哺乳動物胚胎替代物的球體上進行測試，之后將應用于小鼠胚胎。

I.引言

微流體技術可以定義為一種利用具有微米尺度結構來精確操縱低納升范圍小體積的技術。微流體技術，也稱為芯片實驗室技術，已經發展成熟，并因其提供的諸多優勢而在生命科學領域變得非常流行。具體來說，微流體設備能夠使用更少量的試劑，實現更快、更靈敏和可重復的分析。此外，微流體技術非常適合實現復雜、高度并行化和集成的平臺。

最初，微流體的發展是由生物分析領域推動的。然而，芯片實驗室的應用近年來已經多樣化并擴展到細胞研究領域，對此，微流體技術呈現出額外的優勢：對細胞微環境具有精妙的時空控制能力；由于高度的限制性和流動的層流特性，能夠創建類體內條件；動態培養條件；以及獨特的集成智能功能的能力，例如傳感器，用于原位、實時、非侵入性地監測細胞微環境和/或細胞行為。微流體技術目前被用于廣泛的應用，從單細胞分析和實驗到三維細胞培養和研究，以及開發與生理相關的體外模型，即器官芯片平臺。

在此，我們聚焦于一個特定的應用領域，該領域可以因使用微流體技術而大大受益，基于上述所有原因，這個領域就是輔助生殖技術。輔助生殖技術，包括所有使用人工手段實現妊娠的方法，在全球范圍內的使用日益增多，已有超過500萬嬰兒通過這些技術誕生。對于輔助生殖技術而言，微流體技術可以特別為整個治療過程中的各種體外步驟提供替代方法，從而彌補當前遇到的問題。

在本文中，我們特別關注體外輔助生殖技術方案中的兩個獨立步驟，即胚胎的植入前培養及其表征，目的是監測其生長并識別具有最高發育潛能以供移植的胚胎。具體來說，我們首先報告了一個為哺乳動物胚胎培養開發的微流體平臺，及其在單個小鼠胚胎培養中的成功應用。接著，我們介紹了該微流體平臺用于捐贈的凍融人類胚胎培養的早期驗證結果。對于胚胎的原位表征，我們介紹了一種電化學氧氣傳感器和一種旨在最小化測量過程中氧氣消耗量的新型傳感原理。最后，我們介紹了將該傳感器集成到培養微流體平臺中的情況，及其在腫瘤球體（此處用作哺乳動物胚胎的替代物）上的早期驗證結果。

II.用于小鼠胚胎植入前培養的微流體裝置

作為第一步，開發了一個用于哺乳動物胚胎培養的平臺，以評估微流體技術是否能夠支持單個胚胎的植入前生長，直至單個胚胎水平，并最終實現全程發育。該培養裝置包括一個納升級培養室，胚胎被捕獲其中，并可輕松取出，用于移植或進一步實驗（圖1）。該微流體裝置采用聚二甲基硅氧烷通過軟光刻技術制造，并鍵合在玻璃基板上。

圖1.用于單個小鼠胚胎培養的微流體平臺的設計圖和照片。該平臺包含一個納升級體積的培養室，其入口和出口處設有結構以防止胚胎在培養過程中逃逸。值得注意的是，入口處的結構仍允許取出胚胎用于進一步實驗或移植。

與任何為輔助生殖技術開發的新技術一樣，該培養裝置首先在動物模型（此處為小鼠）上進行測試。從小鼠體內收集自然受精的胚胎，將這些受精卵分成20個或5個胚胎一組，或作為單個胚胎分離。隨后，將這些胚胎在具有30或270納升培養室的微流體裝置中，或作為對照，在覆蓋礦物油以防止蒸發問題的5微升培養基液滴中進行培養。考慮兩個終點來評估胚胎的發育潛能：一方面是體外培養4-5天后的植入前生長情況，以囊胚率（囊胚是胚胎在發育此時應達到的階段）進行檢驗；另一方面是它們的全程生長或出生率。對于第二個終點，部分胚胎在體外培養3.5天后從培養平臺中取出，并移植到假孕小鼠體內，使其完成發育。