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东南大学赵远锦团队Science子刊:结构色心脏芯片

器官芯片是一种可以在体外对器官或组织的结构或功能进行建模的仿生微系统。相比较于传统的细胞培养技术,器官芯片更接近体内的微环境水平,因此可以作为一种良好的体外器官或组织的研究平台,是当前生物医学领域中的一个重要研究方向。心脏作为驱动体内循环系统的主要动力来源,是人体中最重要的器官,在体外构建心脏芯片并进行相关研究具有重要意义。目前,已经有不少课题组在研发心脏芯片方面取得了一定的成果,但是在心肌细胞力学传感方面的研究通常都需要精密的仪器设备和复杂的处理分析,限制了其潜在的临床应用。


近日,东南大学赵远锦教授(点击查看介绍)课题组提出了一种结构色心脏芯片用于心肌细胞的力学传感检测(图1)。研究人员首先制备出了具有Janus结构的结构色水凝胶微球。在数个心肌细胞的驱动下,这些微球可以表现出反射光谱的变化,从而将心肌细胞的力学信号转化为光学信号,实现在对心肌细胞收缩力的可视化检测。基于这种直观的颜色或光谱变化,该芯片可以用作心肌药物的评估和筛选。

图1. Janus结构色心脏芯片的制备及应用示意图


在本课题中,研究人员利用氧化石墨烯(GO)溶液和二氧化硅胶体纳米粒子溶液混合后会发生相分离的现象制备出了Janus结构色胶体晶体微球。这种微球的一侧是半球形的具有结构色的胶体晶体,另一侧则由于富含有大量石墨烯片层而呈现为黑色的扁平形。这种特殊的形状可以使微球的滚动性减弱,并以结构色部分朝上。此外,黑色的石墨烯对光有较强的吸收作用,因此还可以减小微球胶体晶体部分的反射峰的半峰宽(图2)。

图2. Janus微球的表征及其与均质结构胶体晶体微球的对比


为了构建心脏芯片,研究人员用具有良好生物相容性的甲基丙烯酸酯化明胶(GelMA) 对这种Janus胶体晶体微球进行反复制,得到反结构的Janus水凝胶微球。在微球结构色部分种植小鼠心肌细胞后,水凝胶微球的结构色会在心肌细胞周期性跳动的带动下发生晶格的变化,从而导致结构色的改变。通过对微球的结构色光谱的观测,可以实现对心肌细胞作用力的传感。进一步研究发现,在药物刺激的作用下,心肌细胞的收缩力和收缩频率都会发生变化,从而影响微球结构色光谱移动的频率和幅度的变化。基于这一原理,该心脏芯片可以用作心肌药物的评估与筛选 (图3)。

图3. Janus结构色心脏芯片在药物评估方面的应用


相关结果发表于国际知名学术刊物Science Advances 杂志上,赵远锦教授为唯一通讯作者,第一作者为该课题组博士后。研究工作得到了国家自然科学基金、NSAF联合基金等项目的资助。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Anisotropic structural color particles from colloidal phase separation

Huan Wang, Yuxiao Liu, Zhuoyue Chen, Lingyu Sun, Yuanjin Zhao

Sci. Adv., 2020, 6, eaay1438, DOI: 10.1126/sciadv.aay1438


导师介绍

赵远锦

https://www.x-mol.com/university/faculty/41619


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