東南大學(xué)趙遠(yuǎn)錦教授課題組在“器官芯片”的研究中取得重要進(jìn)展，課題組成員受變色龍變色機(jī)制的啟發(fā)，將“活體”結(jié)構(gòu)色水凝膠材料整合到微流體中，開發(fā)了具有微生理可視化功能的“心臟芯片”，為藥物篩選以及單細(xì)胞生物學(xué)研究等提供了嶄新的平臺(tái)。該研究成果于2018年3月29日以“Bioinspired livingstructural color hydrogels”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Science Robotics》（科學(xué)-機(jī)器人）雜志上。這也是中國(guó)學(xué)者獨(dú)立完成的首篇《科學(xué)》機(jī)器人子刊。趙遠(yuǎn)錦教授是該篇論文的唯一通訊作者，東南大學(xué)2015級(jí)博士生付繁繁是該論文的第一作者。
基于結(jié)構(gòu)色水凝膠構(gòu)建的具有自反饋功能的蝴蝶
“器官芯片”是要在微流控芯片上仿生構(gòu)建微器官來(lái)替代生物體，進(jìn)行藥物評(píng)估和生物學(xué)研究等。作為構(gòu)建未來(lái)新藥評(píng)價(jià)體系的重要發(fā)展趨勢(shì)，器官芯片對(duì)于支撐我國(guó)創(chuàng)新藥物研發(fā)以及轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。心臟是人體最重要的器官，因此，構(gòu)建具有心肌細(xì)胞傳感功能的“心臟芯片”是“器官芯片”開發(fā)的重要內(nèi)容。東南大學(xué)趙遠(yuǎn)錦教授課題組受變色龍細(xì)胞調(diào)控結(jié)構(gòu)色的啟發(fā)，在國(guó)際上率先提出了構(gòu)建具有結(jié)構(gòu)色傳感功能的“心臟芯片”的設(shè)想。
趙遠(yuǎn)錦教授說(shuō)，變色龍改變顏色是通過(guò)其自身細(xì)胞對(duì)有序納米結(jié)構(gòu)的調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)的，我們正式受此啟發(fā)，首次提出并實(shí)現(xiàn)利用細(xì)胞來(lái)調(diào)控結(jié)構(gòu)色的概念（如圖1），將反蛋白石GelMA結(jié)構(gòu)色水凝膠膜用作心肌細(xì)胞的載體，進(jìn)行心肌細(xì)胞的培養(yǎng)。本研究之所以選擇GelMA水凝膠，是由于GelMA水凝膠來(lái)源于有機(jī)體，并經(jīng)過(guò)化學(xué)修飾，因此其不但具備良好的生物相容性，還具有一定的彈性，是實(shí)現(xiàn)心肌細(xì)胞培養(yǎng)的理想載體。與其他商業(yè)材料相比，GelMA彈性水凝膠載體，不但可以促進(jìn)心肌細(xì)胞的黏附和生長(zhǎng)，還能促進(jìn)心肌細(xì)胞的周期性收縮頻率，賦予心肌細(xì)胞更靈活、持續(xù)的擴(kuò)張及收縮能力。當(dāng)談到變色機(jī)制時(shí)，趙老師又解釋說(shuō)，由于心肌細(xì)胞的搏動(dòng)過(guò)程伴隨著細(xì)胞的伸長(zhǎng)和收縮，因此基底上的反蛋白石結(jié)構(gòu)水凝膠彈性薄膜將經(jīng)歷相同的體積或形態(tài)變化，表現(xiàn)為其自身同步變化的光子禁帶和結(jié)構(gòu)色。
在本研究中，研究學(xué)者們也面臨一系列的問題與挑戰(zhàn)。首先，將反蛋白石結(jié)構(gòu)水凝膠彈性薄膜用于心肌細(xì)胞的培養(yǎng)，雖然成功的實(shí)現(xiàn)了心肌細(xì)胞驅(qū)動(dòng)反蛋白石水凝膠膜結(jié)構(gòu)色的改變，達(dá)到了主動(dòng)調(diào)控反蛋白石水凝膠的結(jié)構(gòu)色的目的，但當(dāng)心肌細(xì)胞驅(qū)動(dòng)一塊獨(dú)立的反蛋白石結(jié)構(gòu)色水凝膠膜時(shí)，會(huì)同時(shí)引起水凝膠膜內(nèi)部晶格中衍射平面間距和布拉格掠射角的雙重改變，從而引起不均一的水凝膠膜結(jié)構(gòu)色改變。為了解決上述問題，控制單一變量，并借助反蛋白石水凝膠結(jié)構(gòu)色的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)心肌細(xì)胞收縮力和跳動(dòng)頻率的分析。他們的解決方案是將水凝膠膜的四周固定，確保反蛋白石結(jié)構(gòu)水凝膠彈性薄膜布拉格掠射角不會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)心肌細(xì)胞驅(qū)動(dòng)反蛋白石結(jié)構(gòu)水凝膠彈性薄膜的結(jié)構(gòu)色周期性變化時(shí)，只會(huì)影響反蛋白石結(jié)構(gòu)水凝膠彈性薄膜內(nèi)部晶格的衍射平面間距的改變。而在體外心肌細(xì)胞的培養(yǎng)過(guò)程中，若實(shí)現(xiàn)心肌細(xì)胞的取向生長(zhǎng)，將更加真實(shí)的模擬心肌細(xì)胞在心臟中的功能。為此，研究人員又利用表面具有微槽的反蛋白石結(jié)構(gòu)水凝膠彈性薄膜進(jìn)行心肌細(xì)胞培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的誘導(dǎo)取向組裝，在凝膠體系中較好的促進(jìn)心肌細(xì)胞恢復(fù)自主跳動(dòng)能力
這種“活體”結(jié)構(gòu)色水凝膠材料為構(gòu)建具有自反饋功能的動(dòng)態(tài)機(jī)器人等智能器件奠定了基礎(chǔ)。特別是將“活體”結(jié)構(gòu)色水凝膠材料集成到微流控芯片中，一個(gè)前所未有的具有微生理可視化功能的“心臟芯片”得以開發(fā)。該技術(shù)在心肌相關(guān)的新藥評(píng)價(jià)和疾病研究中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，與常規(guī)的臨床試驗(yàn)相比更經(jīng)濟(jì)、更快速而且無(wú)創(chuàng)傷性，既是臨床和理論基礎(chǔ)之間一種有機(jī)的融合，也是多學(xué)科交叉的高度體現(xiàn)。其代表著我國(guó)創(chuàng)新藥物研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)平臺(tái)的重大突破，有望加快我國(guó)成為醫(yī)藥科技強(qiáng)國(guó)的步伐。
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