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  基于微流控系統(tǒng)的器官芯片能夠在體外模擬部分組織、器官之間的生理過程，是時下最受關(guān)注的一種篩選測試平臺。心臟作為人體最重要的器官，心肌細胞的工作機制及其與基質(zhì)和微環(huán)境的相互作用引起了研究人員的廣泛關(guān)注。由于微流控系統(tǒng)的可控性和功能集成性，微流控器官芯片逐漸成為心臟方面研究的熱點。目前，已經(jīng)出現(xiàn)了幾種心臟芯片能夠在體外再現(xiàn)原代心肌細胞的生理和機械環(huán)境，甚至達到非侵入性的組織收縮力檢測。然而，這些現(xiàn)有的心臟芯片需要精密的外接設(shè)備并進行復(fù)雜的圖像處理。作為替代方案之一，已有研究將具有光子禁帶的結(jié)構(gòu)色水凝膠材料作為傳感核心元件集成到芯片系統(tǒng)中。其檢測原理主要是依據(jù)結(jié)構(gòu)色水凝膠的光學(xué)角度依賴性，通過心肌帶動材料發(fā)生彎曲形變以達到傳感和檢測的目的。但該方法需要進行動態(tài)聚焦，增加了檢測系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

  近日，東南大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院趙遠錦教授課題組提出了一種基于還原氧化石墨烯（rGO）摻雜的各向異性結(jié)構(gòu)色水凝膠薄膜的心臟芯片系統(tǒng)，用于心肌細胞傳感和分析。利用不同水凝膠細胞粘附率的差異，實現(xiàn)材料的功能分區(qū)，即具有微溝槽誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的細胞生長區(qū)與具有反蛋白石結(jié)構(gòu)的光學(xué)傳感區(qū)。摻雜的rGO能在細胞生長區(qū)增加材料的導(dǎo)電率，同時在光學(xué)傳感區(qū)增加顏色對比度。心肌細胞在上述水凝膠表面培養(yǎng)并恢復(fù)自主跳動后，其規(guī)律性伸長和收縮過程能通過改變反蛋白石結(jié)構(gòu)使其產(chǎn)生顏色變化，實現(xiàn)微觀力學(xué)的宏觀光學(xué)表征，達到通過簡單光譜的監(jiān)測即可獲得心肌細胞的生理狀態(tài)的目標(biāo)。

圖1  rGO摻雜的各向異性結(jié)構(gòu)色水凝膠薄膜傳感示意圖

  在體外培養(yǎng)細胞時，細胞在rGO摻雜的各向異性結(jié)構(gòu)色水凝膠薄膜上會選擇性地生長在具有微溝槽結(jié)構(gòu)的區(qū)域，并被誘導(dǎo)趨于方向一致。光學(xué)傳感區(qū)的反蛋白石結(jié)構(gòu)是有序的周期性結(jié)構(gòu)，能夠阻止特定頻段的光波傳輸，其波長在可見光范圍時則顯現(xiàn)出顏色。其傳感原理是基于周期性結(jié)構(gòu)晶格變化時的光譜特征峰的移動，即心肌細胞收縮狀態(tài)發(fā)生變化，會引起相應(yīng)的晶格變化，并表現(xiàn)為光譜或結(jié)構(gòu)色的改變。

圖2  rGO摻雜的各向異性結(jié)構(gòu)色水凝膠薄膜電鏡圖。

  將rGO摻雜的各向異性結(jié)構(gòu)色水凝膠薄膜集成到微流控芯片中以構(gòu)建心臟芯片系統(tǒng)，并可將其用作心臟藥物的評估和篩選。通過對材料結(jié)構(gòu)色光譜波峰移動的頻率和幅值的改變，可以即時得到藥物對心肌細胞的作用。

圖3  基于rGO摻雜的各向異性結(jié)構(gòu)色水凝膠薄膜的心臟芯片及其藥物評估篩選。

  該項研究近日發(fā)表在《Advanced Functional Materials》。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201906353