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  器官芯片是近年來生物學(xué)最熱門的研究方向之一，其目的在于通過在微流控芯片中進(jìn)行三維細(xì)胞的培養(yǎng)來重現(xiàn)特定器官的結(jié)構(gòu)和功能特征，進(jìn)行新藥研發(fā)、疾病建模和生物機(jī)制的探索等。其中，心臟芯片的構(gòu)建對心臟疾病機(jī)理的研究和治療都有著重要的戰(zhàn)略意義，是器官芯片的重要組成部分。目前的心臟芯片已經(jīng)取得較大的進(jìn)展，但是對于細(xì)胞微生理的傳感仍然依賴于精密儀器的分析，操作復(fù)雜且成本昂貴，限制了其潛在的臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

  日前，東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院的趙遠(yuǎn)錦教授課題組受自然界蛇和毛毛蟲爬行機(jī)制的啟發(fā)，將生物軟體機(jī)器人集成到微流控平臺上構(gòu)建了一種可視化的“心臟芯片”系統(tǒng)，為藥物篩選測試提供了新型的平臺。該軟體機(jī)器人以心肌細(xì)胞為生物驅(qū)動器，在粗糙基底和各向異性爪子的協(xié)助下能夠很好地模擬毛毛蟲的爬行。將所述軟體機(jī)器人集成到多軌道的微流控芯片中，它們可以對不同的刺激反映出不同的運(yùn)行速度，這一特性可用來進(jìn)行新藥研發(fā)甚至為相關(guān)疾病提供潛在的治療策略。

圖1

  在自然界中，蛇依靠其腹部的鱗片來提供直線爬行所需的各向異性摩擦力。受此現(xiàn)象啟發(fā)，課題組成員采用模板法構(gòu)建了與蛇皮結(jié)構(gòu)類似的爪子，同時引入平行碳管層和結(jié)構(gòu)色功能層構(gòu)建軟體機(jī)器人基底。利用掩模板對光的圖案化隔斷，還可以賦予該基底毛毛蟲的外形。提取小鼠心肌細(xì)胞，在碳管覆蓋的水凝膠側(cè)進(jìn)行培養(yǎng)。研究表明，平行的碳管層不僅對心肌細(xì)胞具有良好的取向誘導(dǎo)作用，并且其良好的導(dǎo)電性為心肌細(xì)胞提供了信號傳導(dǎo)的平臺，增強(qiáng)了細(xì)胞的協(xié)同收縮作用。

圖2

  在心肌細(xì)胞的驅(qū)動下，同時借助各向異性爪子和粗糙基底提供的摩擦力，軟體機(jī)器人可以在平面或者小角度的斜面上實(shí)現(xiàn)較好的爬行。在爬行過程中，由于軟體機(jī)器人角度的變化，結(jié)構(gòu)色也會隨之發(fā)生顏色變化，且顏色變化的程度可以直觀地反映心肌細(xì)胞的活力。將所述的軟體機(jī)器人集成到微流控通道中，它們可以根據(jù)不同的藥物刺激進(jìn)行“賽跑”。當(dāng)通入高濃度的鉀離子溶液模擬高鉀血癥模型時，軟體機(jī)器人的運(yùn)動速度會在短時間內(nèi)加快，然后喪失運(yùn)動能力。而同時注入鉀離子溶液和異丙腎上腺素溶液時，軟體機(jī)器人的運(yùn)動性能則可以在異丙腎上腺素的刺激下得到維持。也就是說，藥物對于細(xì)胞的影響可以通過軟體機(jī)器人的爬行速度進(jìn)行評估，從而為藥物測試和疾病研究提供了直觀的平臺。

圖3

  趙遠(yuǎn)錦教授為該論文的唯一通訊作者，東南大學(xué)2019級博士生孫靈鈺是該論文的第一作者，東南大學(xué)為該成果的第一完成單位。相關(guān)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金NSAF聯(lián)合基金等項(xiàng)目的資助。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201907820