东南大学赵远锦教授Science Robotics: 活性结构色材料构建的“心脏芯片”

东南大学赵远锦教授课题组在“器官芯片”的研究中取得重要进展,课题组成员受变色龙变色机制的启发,将“活体”结构色水凝胶材料整合到微流体中,开发了具有微生理可视化功能的“心脏芯片”,为药物筛选以及单细胞生物学研究等提供了崭新的平台。该研究成果于2018年3月29日以“Bioinspired livingstructural 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。赵远锦教授是该篇论文的唯一通讯作者,东南大学2015级博士生付繁繁是该论文的第一作者。

东南大学赵远锦教授Science Robotics: 活性结构色材料构建的“心脏芯片”

基于结构色水凝胶构建的具有自反馈功能的蝴蝶

“器官芯片”是要在微流控芯片上仿生构建微器官来替代生物体,进行药物评估和生物学研究等。作为构建未来新药评价体系的重要发展趋势,器官芯片对于支撑我国创新药物研发以及转化医学的发展具有重大战略意义。心脏是人体最重要的器官,因此,构建具有心肌细胞传感功能的“心脏芯片”是“器官芯片”开发的重要内容。东南大学赵远锦教授课题组受变色龙细胞调控结构色的启发,在国际上率先提出了构建具有结构色传感功能的“心脏芯片”的设想。

东南大学赵远锦教授Science Robotics: 活性结构色材料构建的“心脏芯片”
图一:具有自主调节结构色功能的反蛋白石水凝胶示意图。

 

赵远锦教授说,变色龙改变颜色是通过其自身细胞对有序纳米结构的调控来实现的,我们正式受此启发,首次提出并实现利用细胞来调控结构色的概念(如图1),将反蛋白石GelMA结构色水凝胶膜用作心肌细胞的载体,进行心肌细胞的培养。本研究之所以选择GelMA水凝胶,是由于GelMA水凝胶来源于有机体,并经过化学修饰,因此其不但具备良好的生物相容性,还具有一定的弹性,是实现心肌细胞培养的理想载体。与其他商业材料相比,GelMA弹性水凝胶载体,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,赋予心肌细胞更灵活、持续的扩张及收缩能力。当谈到变色机制时,赵老师又解释说,由于心肌细胞的搏动过程伴随着细胞的伸长和收缩,因此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,表现为其自身同步变化的光子禁带和结构色。

在本研究中,研究学者们也面临一系列的问题与挑战。首先,将反蛋白石结构水凝胶弹性薄膜用于心肌细胞的培养,虽然成功的实现了心肌细胞驱动反蛋白石水凝胶膜结构色的改变,达到了主动调控反蛋白石水凝胶的结构色的目的,但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,控制单一变量,并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。他们的解决方案是将水凝胶膜的四周固定,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。当心肌细胞驱动反蛋白石结构水凝胶弹性薄膜的结构色周期性变化时,只会影响反蛋白石结构水凝胶弹性薄膜内部晶格的衍射平面间距的改变。而在体外心肌细胞的培养过程中,若实现心肌细胞的取向生长,将更加真实的模拟心肌细胞在心脏中的功能。为此,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

这种“活体”结构色水凝胶材料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。特别是将“活体”结构色水凝胶材料集成到微流控芯片中,一个前所未有的具有微生理可视化功能的“心脏芯片”得以开发。该技术在心肌相关的新药评价和疾病研究中具有独特优势,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。其代表着我国创新药物研发关键技术平台的重大突破,有望加快我国成为医药科技强国的步伐。

 

全文链接:

http://robotics.sciencemag.org/content/3/16/eaar8580

相关文章

微信