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莫納什大學程文龍教授《Nat. Commun.》: 基于電子皮膚的柔性傳感器用于心臟類器官的“脈動”的遠程無線監控

2022-12-01 來源：高分子科技

干細胞衍生的心臟類器官是了解人類心臟組織收縮動力學，心血管功能和疾病的重要平臺。然而，這類懸浮于培養液種的柔軟微小類器官（直徑約1mm）與傳統剛性力學傳感器力學性能不匹配，無法實現共形接觸，并且缺少與類器官培養環境相匹配的柔性平臺以實現長期，無線，遠程，即時原位監測。

針對這個問題，澳大利亞莫納什大學程文龍教授課題組設計了一種基于納米裂紋薄膜的柔性電子皮膚平臺。該平臺受中醫把脈診斷中的動態力學傳導過程的啟發，報告了一種基于電子皮膚的保形軟測量系統用于無創心臟類器官動態監測。在把脈診斷中，靜脈夾在患者的組織和醫生的手指之間，這本質上是一個全軟接觸的機械傳導過程，需要維持最佳的接觸力度，以便醫生的大腦可以檢測到與人類心臟的收縮和舒張功能相關的微小應變變化。類似地，在心臟類器官監測中，一個由微型位移平臺，PDMS‘’手指‘’，以及柔性力感應薄膜組成的平臺可以模擬指尖機械感受器的功能建立適形電子皮膚軟傳感器-類器官微接觸，實現實時，精確，遠程檢測心臟類器官跳動。相關工作以“A soft and ultrasensitive force sensing diaphragm for probing cardiac organoids instantaneously and wirelessly”為題發表在《Nature Communications》。
不同于傳統剛性傳感器，該工作構建了一個基于PDMS的全柔性培養平臺（圖1a）同時實現心臟類器官的培養和監測。PDMS探針通過調整微型位移平臺可以與心臟類器官進行類似于AFM的輕微接觸以使類器官與其下的超薄電子皮膚建立最佳接觸條件（圖1e-f），從而實現對心肌細胞收縮與舒張這樣的微小應力進行直接監測。該平臺對心臟類器官監測的穩定性與準確性也通過了激光多普勒測速儀（圖1k-l），光學顯微鏡（圖2a-f），以及商用微電極陣列 (圖2g-o)等不同傳統監測方法的驗證。同時，對弱跳動類器官的進一步測量表明，柔性力學傳感平臺的靈敏度高于傳統光學顯微鏡。更重要的是，這種柔性力學監測平臺適用于各種不同培養環境以及條件例如電刺激響應及復蘇（圖3），給藥（圖4），長期培養及疾病建模過程（圖5）監測。監測結果證明柔性平臺能夠檢測到類器官由于臨床相關病理改變對其收縮/舒張動態機械性能的影響。此外，通過集成藍牙模塊和柔性印刷線路板，該平臺可以實現在智能手機上對培養在恒溫箱種的心臟類器官進行實時，無線監測（圖6）。這證明了無線心臟類器官監測系統的便利性，為遠程生物監測提供了新思路。