器官芯片的主要目标是在芯片上模拟生物体的环境进行细胞、组织、器官的培养，再现器官的部分关键功能，并进行药物评价和生物学研究等。心脏是人体最重要的器官，因此，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。东南大学赵远锦课题组提出了用大蓝闪蝶鳞翅进行心肌细胞力学传感的设想。该研究成果已于近日发表在国际知名学术刊物Advanced Materials 上（影响因子：21.95）。
大蓝闪蝶是一种大型热带蝶类，因其具有闪亮的结构色而受到广泛关注。这种绚丽的蓝色来源于闪蝶鳞翅平行排列的纳米脊状分级结构，这种结构能够在其光子带隙中操纵光子的传播。受此启发，科学家们研制了一系列用于光子器件、分子传感、自清洁表面等的鳞翅仿生元件，但由于现有纳米加工能力和材料的局限性，闪蝶鳞翅在生物医学领域，特别是生物传感领域尚无报道。
近日，东南大学生物科学与医学工程学院赵远锦领导的研究小组提出了一种基于大蓝闪蝶鳞翅的心脏芯片构建方法（图1）。该方法利用蝶翅鳞片的脊状分级结构的取向诱导性和鳞翅主要成分几丁质的生物相容性，使组装其上的心肌细胞定向生长并恢复自主跳动。心肌细胞在周期性跳动过程中的收缩和舒张带动鳞翅产生同步的弯曲形变，导致鳞翅结构色和光子禁带产生相应变化，从而达到心肌力学性能的传感功能。通过等离子体接枝、碳纳米管定向填充、生物相容性水凝胶薄层等处理，增加鳞翅基底的生物相容性和电传导率，提升心肌细胞力学传感的性能。
图1. 基于大蓝闪蝶鳞翅构建心脏芯片示意图
由于大蓝闪蝶鳞翅基底经过处理具有较好的柔性，心肌细胞在自主收缩时带动鳞翅基底产生周期性弯曲。利用鳞翅结构色的角度依赖性，在固定观察位置记录不同弯曲角度下鳞翅的结构色光谱位置，可以直观地反映心肌细胞的跳动频率和产生收缩力的大小（图2）。基于这种直观的颜色或光谱变化，大蓝闪蝶鳞翅基底可以用作心脏药物的评估和筛选。通过鳞翅基底的结构色光谱波峰移动的频率和差值，可以即时得到药物对心肌细胞的作用。值得一提的是，由于大蓝闪蝶鳞片和心肌细胞尺寸相似，基于鳞翅基底的单细胞水平的力学研究也可以通过简单的光学传感实现。
图2 心肌细胞驱动的大蓝闪蝶鳞翅基底变色过程
该研究的最大意义在于，基于天然的大蓝闪蝶鳞翅，通过简单的表面处理方法，即可得到心肌力学性能的传感基底，通过直观的颜色或光谱变化即可评估心肌细胞状态，在生物学研究和药物开发方面具有巨大的潜力。
该论文作者为：Zhuoyue Chen, Fanfan Fu, Yunru Yu, Huan Wang, Yixuan Shang, Yuanjin Zhao
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Cardiomyocytes-Actuated Morpho Butterfly Wings
Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201805431
导师介绍
赵远锦
https://www.x-mol.com/university/faculty/41619
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