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  基于微流控系統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和微環境的相互作用引起了研究人員的廣泛關注。由于微流控系統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，已經出現了幾種心臟芯片能夠在體外再現原代心肌細胞的生理和機械環境，甚至達到非侵入性的組織收縮力檢測。然而，這些現有的心臟芯片需要精密的外接設備并進行復雜的圖像處理。作為替代方案之一，已有研究將具有光子禁帶的結構色水凝膠材料作為傳感核心元件集成到芯片系統中。其檢測原理主要是依據結構色水凝膠的光學角度依賴性，通過心肌帶動材料發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聚焦，增加了檢測系統的不穩定性。

  近日，東南大學生物醫學工程學院趙遠錦教授課題組提出了一種基于還原氧化石墨烯（rGO）摻雜的各向異性結構色水凝膠薄膜的心臟芯片系統，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，實現材料的功能分區，即具有微溝槽誘導結構的細胞生長區與具有反蛋白石結構的光學傳感區。摻雜的rGO能在細胞生長區增加材料的導電率，同時在光學傳感區增加顏色對比度。心肌細胞在上述水凝膠表面培養并恢復自主跳動后，其規律性伸長和收縮過程能通過改變反蛋白石結構使其產生顏色變化，實現微觀力學的宏觀光學表征，達到通過簡單光譜的監測即可獲得心肌細胞的生理狀態的目標。

圖1  rGO摻雜的各向異性結構色水凝膠薄膜傳感示意圖

  在體外培養細胞時，細胞在rGO摻雜的各向異性結構色水凝膠薄膜上會選擇性地生長在具有微溝槽結構的區域，并被誘導趨于方向一致。光學傳感區的反蛋白石結構是有序的周期性結構，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出顏色。其傳感原理是基于周期性結構晶格變化時的光譜特征峰的移動，即心肌細胞收縮狀態發生變化，會引起相應的晶格變化，并表現為光譜或結構色的改變。

圖2  rGO摻雜的各向異性結構色水凝膠薄膜電鏡圖。

  將rGO摻雜的各向異性結構色水凝膠薄膜集成到微流控芯片中以構建心臟芯片系統，并可將其用作心臟藥物的評估和篩選。通過對材料結構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摻雜的各向異性結構色水凝膠薄膜的心臟芯片及其藥物評估篩選。

  該項研究近日發表在《Advanced Functional Materials》。

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