黄永刚罗杰斯及巴希尔联手PNAS:用于构造工程的三维柔性传感器 ...

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原标题：黄永刚罗杰斯及巴希尔联手PNAS: 用于构造工程的三维柔性传感器

黄永刚罗杰斯及巴希尔联手PNAS: 用于构造工程的三维柔性传感器

微生理体系 (microphysiological systems) 又叫构造芯片 (tissue-on-chip) 或器官芯片 (organ-on-chip)， 是通过在芯片上构建动物或人体的部门构造或器官的生理微体系，在体外模仿构造或器官的布局和功能。微生理体系在底子生物医学研究和药物开辟的体外建模上有紧张应用。

现有的微生理体系或器官芯片大多数是基于二维平面布局，在模仿真实三维构造方面有范围，特殊是针对成熟的、布局较厚的三维形态的构造。骨骼肌就是一个例子。作为占人体体重约40%的构造，骨骼肌通过紧缩产生活动，负责支配人的根本运动。针对检测骨骼肌生理运动的微生理体系可用来研究肌肉萎缩症等疾病病理，以及开辟相应药物举行针对性的治疗。

克日，美国西北大学John A. Rogers课题组、黄永刚课题组与伊利诺伊大学香槟分校Rashid Bashir传授课题组在美国国家科学院院刊 (PNAS) 发表了题为“Compliant 3D frameworks instrumented with strain sensors for characterization of millimeter-scale engineered muscle tissues”的研究论文。原西北大学John A. Rogers组博士后、现南加州大学助理传授赵航波，Rashid Bashir组博士生Yongdeok Kim， 黄永刚组博士后王禾翎和宾州州立大学助理传授宁鑫为论文的共同第一作者。美国西北大学John A. Rogers院士和黄永刚院士以及伊利诺伊大学Rashid Bashir传授为本文的共同通讯作者。

该结果通过微加工和屈曲(buckling)实现集成有应力传感器的毫米标准的三维柔性布局，能实现准确可控的三维外形，与三维的小鼠构造工程骨骼肌形成精密联合。小鼠骨骼肌的微小紧缩能通过三维柔性布局上的应力传感器检测到，从而实现对构造工程肌紧缩的一连和高精度检测。相对现有的基于光学显微镜的丈量技能，这种三维柔性传感器能实现对构造工程肌紧缩高精度、高通量、更便捷的片上丈量。在此三维柔性微生理传感器上，还举行了小鼠构造工程肌运动的恒久监测，以及测试对差别药物的反应。这种集成有传感器或其他功能器件的柔性三维体系对于开辟微生理体系或器官芯片提供了新的方法。

布局与工作原理

图1展示了三维柔性微生理体系的布局与工作原理。起首用微加工制备包罗了应力传感器的多层平面布局，然后使用在可拉伸基底上的屈曲实现从平面图形到三维布局的变化。图2动态展示了屈曲变形的过程。位于三维布局弯曲处的应力传感器在受力变形时应力传感器能将变形转化成电信号举行丈量。受力、变形与应力传感器电信号之间的相互关系通过有限元模仿以及实行举行了验证。

睁开全文

图1: 三维柔性微生理体系的布局与工作原理。

图2:从二维图形通过屈曲变形为三维微布局的动态表示图。

这种三维柔性微生理体系被应用于小鼠构造工程肌来监测骨骼肌的紧缩运动。小鼠构造工程肌由肌母细胞在环形的模具中分化而成构造环。在此过程中，通过光遗传方法使得构造环对蓝光敏感，便于通过光照来控制肌肉环的紧缩。肌肉环能被套在三维柔性布局上，形成精密稳固的机器联合(图3)。

图3: 三维柔性微生理体系与环形的小鼠骨骼肌构造集成过程。

传感性能

三维柔性微生理体系能通过内嵌的应力传感器准确丈量肌肉环的紧缩位移和紧缩力。现在常用的丈量构造工程肌紧缩的方法是通过显微镜丈量位移再转化为紧缩力。这种方法受限于显微镜分辨率以及帧数，很难对构造的紧缩运动准确丈量。而三维柔性微生理体系能实现超高采样频率及微小力的丈量 (图4)。

图4: 三维柔性微生理体系丈量的差别光刺激强度和频率下小鼠骨骼肌构造环的紧缩力。

恒久监测与药物反应研究

由于器件稳固性以及生物兼容性，这种三维柔性微生理体系能实现对构造工程肌的紧缩运动举行恒久一连监测。图5A表现了构造紧缩举动在数周时间内先加强后阑珊的过程。图5B-E展示了骨骼肌构造紧缩受乙酰胆碱、咖啡因和单挫林等化学试剂和药物作用下的影响。

图5: 三维柔性微生理体系丈量小鼠骨骼肌构造环紧缩力的恒久变革以及对差别药物的反应。

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