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中国学者世界首创:可视化“心脏芯片”问世,登Science机器人子刊论文

[日期:2018-04-11] 来源:新智元  作者: [字体: ]

来源:机器人大讲堂

【新智元导读】东南大学生物医学工程学院生物电子学国家重点实验室赵远锦教授课题组在“器官芯片”研究中取得重要研究成果,发表在国际顶级期刊《Science Robotics》,这是中国学者独立完成的首篇《科学》机器人子刊论文,也标志着世界首创性的、具有微生理可视化功能的“心脏芯片”问世!

如果有人告诉你,人类的心脏可以像变色龙一样变色,你会相信吗?

近日,有科学家就根据变色龙的变色机制,研究出了“可变色的心脏”。

下面这条可以变幻蓝色和绿色光线的小鱼,就是由一片可变颜色的心肌细胞构成的!

这是东南大学生物医学工程学院生物电子学国家重点实验室赵远锦教授课题组在“器官芯片”研究中取得的重要研究成果。

该研究成果以“Bioinspired living structural color hydrogels”为题,发表在国际顶级期刊《Science Robotics》(科学-机器人)杂志上,这也是中国学者独立完成的首篇《科学》机器人子刊论文。

同时,它标志着世界首创性的、具有微生理可视化功能的“心脏芯片”问世!

这种“心脏芯片”技术是怎么来的?

该课题组研发了一种表面具有微槽的水凝胶弹性薄膜,即一种活体结构色材料,这种材料具有果冻质感,并且五光十色,其内部包含一系列微小孔洞状的结构。

当利用微流控技术,将载有活性心肌细胞的培养液注入到覆盖这种特殊薄膜的“芯片”中后,随着心肌细胞由于搏动而产生的细胞的伸长和收缩,基底上的反蛋白石结构水凝胶弹性薄膜将经历相同的体积或形态变化,由于凝胶内部的晶体排列变化,反射光之间的干涉效果也会随之改变,从而就有了呈现出不同颜色的心肌细胞。

研究人员称,除心肌细胞外,平滑肌等具有收缩功能的细胞都能实现这种功能。

(上图为具有自主调节结构色功能的反蛋白石水凝胶示意图)

下面这个蝴蝶状的生物机器人,也是利用水凝胶创造的,添加了模仿变色龙皮肤颜色变化特性的虹彩纳米晶体。

它可以帮助研究人员测试实验性心脏药物,进而帮助拯救人类的生命。

这种“活体”结构色水凝胶材料也为构建具有自反馈功能的动态机器人等智能器件奠定了基础。

本研究所选择的GelMA水凝胶,来源于有机体,并经过化学修饰,具备良好的生物相容性和一定的弹性。

与其他商业材料相比,它不但可以促进心肌细胞的黏附和生长,还能促进心肌细胞的周期性收缩频率,能够赋予心肌细胞更灵活、持续的扩张及收缩能力。

(上图为微槽的反蛋白石结构水凝胶弹性薄膜用于心肌细胞培养)

同理,当药物进入“芯片”后,引起心肌细胞“反应”,薄膜随之发生变化,颜色发生改变,即可以确定该药的药效。

关于“器官芯片”

“器官芯片”是通过在微流控芯片上仿生构建微器官替代生物体,用来进行药物评估和生物学研究等。

与常规的临床试验相比更经济、更快速而且无创伤性,既是临床和理论基础之间一种有机的融合,也是多学科交叉的高度体现。

自2000年“器官芯片”兴起以来,技术核心专利一直被美国控制。课题组负责人赵远锦介绍:我们的“心脏芯片”运用了自主研发的活体结构色材料,相对于国外现有“器官芯片”使用的普通柔性材料,可更为直观地观测到心肌细胞的变化。

据悉,这种“心脏芯片”若可批量生产,一枚芯片成本仅为200元。

接下来,课题组会制造个体“心脏芯片”,并继续研发“肺芯片”“肾芯片”等,形成完整的“人体芯片”结构,构建具有自反馈功能的动态机器人。

据麦姆斯咨询2017年的报告显示,欧美研究人员在近几年已经在微流控芯片上实现了众多人体器官的构建,如芯片肝、芯片肺、芯片肠、芯片肾、芯片血管、芯片心脏以及多器官芯片等。

此外,国外知名研究单位和制药公司之间的合作也已使器官芯片步入了实用阶段。

本研究面临的问题与挑战

赵远锦教授说,当心肌细胞驱动一块独立的反蛋白石结构色水凝胶膜时,会同时引起水凝胶膜内部晶格中衍射平面间距和布拉格掠射角的双重改变,从而引起不均一的水凝胶膜结构色改变。

为了解决上述问题,课题组解决方案是控制单一变量,借助反蛋白石水凝胶结构色的改变来实现心肌细胞收缩力和跳动频率的分析,以及将水凝胶膜的四周固定等方法,确保反蛋白石结构水凝胶弹性薄膜布拉格掠射角不会发生改变。

(上图为微槽的反蛋白石结构水凝胶弹性薄膜用于“心脏芯片”的构建)

而在体外心肌细胞的培养过程中,研究人员又利用表面具有微槽的反蛋白石结构水凝胶弹性薄膜进行心肌细胞培养,实现了细胞的诱导取向组装,在凝胶体系中较好的促进心肌细胞恢复自主跳动能力。

赵远锦教授课题组关于构建具有传感功能的心肌细胞——“心脏芯片”这一研究,也得到了国家优秀青年基金、江苏省杰出青年基金以及生物电子学国家重点实验室经费的大力支持。让我们一起为课题组和其研究成果点赞吧!

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