基于微流控系统的器官芯片能够在体外模拟部分组织、器官之间的生理过程，是时下最受关注的一种筛选测试平台。心脏作为人体最重要的器官，心肌细胞的工作机制及其与基质和微环境的相互作用引起了研究人员的广泛关注。由于微流控系统的可控性和功能集成性，微流控器官芯片逐渐成为心脏方面研究的热点。目前，已经出现了几种心脏芯片能够在体外再现原代心肌细胞的生理和机械环境，甚至达到非侵入性的组织收缩力检测。然而，这些现有的心脏芯片需要精密的外接设备并进行复杂的图像处理。作为替代方案之一，已有研究将具有光子禁带的结构色水凝胶材料作为传感核心元件集成到芯片系统中。其检测原理主要是依据结构色水凝胶的光学角度依赖性，通过心肌带动材料发生弯曲形变以达到传感和检测的目的。但该方法需要进行动态聚焦，增加了检测系统的不稳定性。

  近日，东南大学生物医学工程学院赵远锦教授课题组提出了一种基于还原氧化石墨烯（rGO）掺杂的各向异性结构色水凝胶薄膜的心脏芯片系统，用于心肌细胞传感和分析。利用不同水凝胶细胞粘附率的差异，实现材料的功能分区，即具有微沟槽诱导结构的细胞生长区与具有反蛋白石结构的光学传感区。掺杂的rGO能在细胞生长区增加材料的导电率，同时在光学传感区增加颜色对比度。心肌细胞在上述水凝胶表面培养并恢复自主跳动后，其规律性伸长和收缩过程能通过改变反蛋白石结构使其产生颜色变化，实现微观力学的宏观光学表征，达到通过简单光谱的监测即可获得心肌细胞的生理状态的目标。

图1  rGO掺杂的各向异性结构色水凝胶薄膜传感示意图

  在体外培养细胞时，细胞在rGO掺杂的各向异性结构色水凝胶薄膜上会选择性地生长在具有微沟槽结构的区域，并被诱导趋于方向一致。光学传感区的反蛋白石结构是有序的周期性结构，能够阻止特定频段的光波传输，其波长在可见光范围时则显现出颜色。其传感原理是基于周期性结构晶格变化时的光谱特征峰的移动，即心肌细胞收缩状态发生变化，会引起相应的晶格变化，并表现为光谱或结构色的改变。

图2  rGO掺杂的各向异性结构色水凝胶薄膜电镜图。

  将rGO掺杂的各向异性结构色水凝胶薄膜集成到微流控芯片中以构建心脏芯片系统，并可将其用作心脏药物的评估和筛选。通过对材料结构色光谱波峰移动的频率和幅值的改变，可以即时得到药物对心肌细胞的作用。

图3  基于rGO掺杂的各向异性结构色水凝胶薄膜的心脏芯片及其药物评估筛选。

  该项研究近日发表在《Advanced Functional Materials》。

  论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201906353