Advanced Functional Materials:基于各向异性水凝胶的心脏芯片

心脏是人体最重要的器官,也是循环系统的主要驱动来源。心肌细胞的工作机制及其与基质和微环境的相互作用引起了研究人员的广泛关注。近年来,基于微流控系统的器官芯片能够在体外模拟部分组织、器官的生理过程,成为时下最受关注的筛选测试平台之一。由于微流控系统具有可控性和功能集成性,微流控器官芯片逐渐成为心脏方向研究的热点。目前,已有研究团队开发了几种心脏芯片,能够在体外重现心肌细胞的生理和机械环境,甚至实现非侵入性的心肌收缩力的检测。然而,这些现有的心脏芯片往往需要精密的外接设备并进行复杂的图像处理。作为改进方案之一,已有研究将结构色水凝胶作为传感核心元件集成到芯片系统中,其检测过程基于结构色水凝胶的光学角度依赖性,通过心肌的自发周期性收缩-舒张循环带动材料发生同步弯曲形变以达到传感和检测的目的。但该方法需要进行动态聚焦,增加了检测系统的不稳定性。

针对上述问题,东南大学生物医学工程学院赵远锦教授课题组提出了一种基于还原氧化石墨烯(rGO)掺杂的各向异性结构色水凝胶薄膜的心脏芯片,用于心肌力学传感分析以及心脏药物的筛选评估。该心脏芯片的核心元件——各向异性结构色水凝胶薄膜,利用不同水凝胶细胞粘附率的差异,有效地实现了材料的功能分区,即将水凝胶薄膜分为具有微沟槽诱导结构的细胞生长区与具有反蛋白石结构的光学传感区。掺杂的rGO能在细胞生长区增加材料的导电率,增强心肌细胞的一致性,同时在光学传感区提高结构色对比度。在体外培养细胞时,心肌细胞在rGO掺杂的各向异性结构色水凝胶薄膜上会选择性地黏附、生长在具有微沟槽结构的区域,并被诱导趋于方向一致,而后恢复自主跳动。心肌细胞的规律性收缩和伸长过程能改变周期性反蛋白石结构使其产生与跳动频率同步的颜色变化,实现微观力学的宏观光学表征,即通过简单的光谱监测获得心肌细胞的生理状态。将rGO掺杂的各向异性结构色水凝胶薄膜集成到微流控芯片中,可以进一步构建心脏芯片系统。通过芯片中结构色光谱波峰移动的频率和幅值改变,可以即时得到心脏药物对细胞的作用,并用于心脏药物的评估和筛选。相关论文以“Graphene Hybrid Anisotropic Structural Color Film for Cardiomyocytes’ Monitoring”为题,在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201906353)上。