仿生螺旋纤维及在心脏芯片上的应用

器官芯片是指在芯片上仿生构建微器官来替代生物体，从而进行药物评估和生物学研究等。心脏是人体最重要的器官，构建具有心肌细胞力学传感功能的心脏芯片是器官芯片开发的重要内容。东南大学的赵远锦教授（点击查看介绍）课题组提出了用螺旋结构纤维进行心肌细胞力学传感的设想。该研究成果于近日发表在国际知名学术刊物Advanced Materials 上。这也是赵远锦教授作为第一作者或通讯作者，以东南大学作为第一单位在该杂志发表的第六篇论文。

螺旋结构是自然界最普遍的一种形状，携带重要生命遗传信息的DNA、攀附在其他物体向上生长的植物藤蔓，包括日常使用的弹簧等都采用这种在局限空间里最佳的存在方式——螺旋结构。受此启发，科学家们仿生研制了一系列用于微机电系统、光学传感等的螺旋纤维，但由于制备手段的限制，微尺度的仿生螺旋纤维，特别是具有生物响应性的螺旋纤维尚无报道。

近日，东南大学生物医学工程学院的赵远锦教授领导的研究小组提出了一种基于微流控芯片纺织仿生螺旋纤维的方法（图1）。该方法借助共轴毛细管微流控系统，通过调节多相流体在微流控通道中的流动行为，再结合流体的快速凝胶化，就可得到具有连续螺旋结构的微米纤维，纤维的螺距也可通过流体精确调控。不仅如此，利用三维微流控芯片的技术优势，通过拓展凝胶前体溶液的流体通道，还可纺织得到多组分结构、核壳结构以及双螺旋结构等更加复杂的螺旋纤维。

图1. 通过微流控芯片纺织单组分的螺旋纤维

利用构成螺旋纤维的水凝胶材料具有较好的柔性这一特点，研究人员在流体中掺入具有磁响应性的纳米粒子或温度响应性的高分子就可以赋予螺旋纤维特定的刺激响应性功能。这些刺激响应性螺旋纤维还表现为弹簧的基本特性，即螺距的可复性改变。在此基础上，研究人员将螺旋纤维连接在培养有小鼠心肌细胞的水凝胶膜上，发现随着心肌细胞的规律跳动，纤维的螺距发生规律性变化，这样通过测量螺旋纤维的弹性模量就可以推算出膜上心肌细胞的收缩力大小，实现了细胞力学的传感（图2）。

图2. 通过螺旋纤维获得心肌细胞收缩力的定量数据

该研究的最大意义在于，通过简单的微流控技术即可得到具有特定微结构的聚合物螺旋纤维，对于聚合物材料的功能拓展及生物医学应用有着重要的启示作用。

该论文作者为：Yunru Yu, Fanfan Fu, Luoran Shang, Yao Cheng, Zhongze Gu, Yuanjin Zhao

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）：

Bioinspired Helical Microfibers from Microfluidics

Adv. Mater., 2017, 29, 1605765, DOI: 10.1002/adma.201605765

导师介绍

赵远锦

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