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会变色的“器官芯片”你见过吗?东南大学最新科研成果登Science子刊!
王强 2018-04-02
导语

构建了一个前所未有的具有微生理可视化功能的“心脏芯片”,其为药物筛选以及单细胞生物学研究等提供了崭新的平台。

上面这条蓝蓝绿绿的鱼可不是动画片中的画面

这是一片“可变颜色的”心肌细胞

——具有微生理可视化功能的“心脏芯片”问世!

编者按

东南大学赵远锦教授课题组发表“器官芯片”研究成果,这是中国学者独立完成的首篇《Science Robotics》期刊论文。构建具有传感功能的心肌细胞——“心脏芯片”这一设想由赵远锦教授课题组在国际上率先提出!

日前,东南大学生物医学工程学院生物电子学国家重点实验室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 living structural 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》机器人子刊论文。

▍那么,这种“心脏芯片”技术到底是什么呢?

受到变色龙的启发,这种技术将具有特殊光学结构的凝胶与活的心肌细胞组合在一起。凝胶内部包含一系列的微小孔洞结构,心肌细胞的同步舒展、收缩则带动弹性的凝胶薄膜发生形状变化。

随着凝胶内部的晶体排列变化,反射光之间的干涉效果也会随之改变,因此心肌细胞的搏动状况就可以通过不同的颜色直观的体现。

▍“器官芯片”的重要性

“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,美国哈佛等研究机构控制这类技术的核心专利。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,将“活体”结构色水凝胶材料集成到微流控芯片中,构建了一个前所未有的具有微生理可视化功能的“心脏芯片”,其为药物筛选以及单细胞生物学研究等提供了崭新的平台。

▍研发方法&原理

研究人员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。


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。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。

▍科研团队

赵远锦教授课题组关于构建具有传感功能的心肌细胞——“心脏芯片”这一研究,也得到了国家优秀青年基金、江苏省杰出青年基金以及生物电子学国家重点实验室经费的大力支持。

这篇在《Science Robotics》上发表的论文第一作者为我校2015级博士生付繁繁,赵远锦教授是论文唯一的通讯作者。赵远锦教授2006年毕业于东南大学临床医学专业,2011年获得东南大学生物医学工程工学博士学位。荣获国家优秀青年基金,引领胶体光子晶体材料的生物医学应用。

该课题组更是硕果累累,他们通过微流控技术,结合微加工等手段,制备微纳米尺度的功能生物医用材料,用于药物缓释和组织工程等;以自然界中生物体为模型,开发具有仿生结构的智能界面材料,用于生物传感及界面浸润性研究;基于微纳结构材料,结合微流控技术,构建类体的心脏、肝脏、肿瘤等器官芯片,进行药物评估应用。

文章链接:

Fanfan Fu, et al, "Bioinspired living structural color hydrogels," Science Robotics 28 Mar 2018:Vol. 3, Issue 16, eaar8580, DOI: 10.1126/scirobotics.aar8580

(本文来源:东南大学微信公众号;)

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  • 微流控芯片
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作者 王强

硕士研究生

西北工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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