黄永刚罗杰斯及巴希尔联手PNAS: 用于组织工程的三维柔性传感器
微心理体系 (microphysiological systems) 又叫组织芯片 (tissue-on-chip) 或器官芯片 (organ-on-chip)， 是经由过程在芯片上构建动物或人体的部分组织或器官的心理微体系，在体外模仿组织或器官的构造和功能。微心理体系在基本生物医学研究和药物开辟的体外建模上有重要应用。
现有的微心理体系或器官芯片大年夜多半是基于二维平面构造，在模仿真实三维组织方面有局限，特别是针对成熟的、构造较厚的三维形态的组织。骨骼肌就是一个例子。作为占人体体重约40%的组织，骨骼肌经由过程紧缩产生活动，负责安排人的根本活动。针对检测骨骼肌心理活动的微心理体系可用来研究肌肉萎缩症等疾病病理，以及开辟响应药物进行针对性的治疗。
近日，美国西北大年夜学John A. Rogers课题组、黄永刚课题组与伊利诺伊大年夜学喷鼻槟分校Rashid Bashir传讲课题组在美国国度科学院院刊 (PNAS) 揭橥了题为“Compliant 3D frameworks instrumented with strain sensors for characterization of millimeter-scale engineered muscle tissues”的研究论文。原西北大年夜学John A. Rogers组博士后、现南加州大年夜学助理传授赵航波，Rashid Bashir组博士生Yongdeok Kim， 黄永刚组博士后王禾翎和宾州州立大年夜学助理传授宁鑫为论文的合营第一作者。美国西北大年夜学John A. Rogers院士和黄永刚院士以及伊利诺伊大年夜学Rashid Bashir传授为本文的合营通信作者。
该成果经由过程微加工和愚蠢(buckling)实现集成有应力传感器的毫米标准的三维柔性构造，能实现精确可控的三维外形，与三维的小鼠组织工程骨骼肌形成慎密结合。小鼠骨骼肌的渺小紧缩能经由过程三维柔性构造上的应力传感器检测到，从而实现对组织工程肌紧缩的持续和高精度检测。相对现有的基于光学显微镜的测量技巧，这种三维柔性传感器能实现对组织工程肌紧缩高精度、高通量、更便捷的片上测量。在此三维柔性微心理传感器上，还进行了小鼠组织工程肌活动的经久监测，以及测试对不合药物的反响。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心理体系或器官芯片供给了新的办法。
构造与工作道理
图1展示了三维柔性微心理体系的构造与工作道理。起首用微加工制备包含了应力传感器的多层平面构造，然后应用在可拉伸基底上的愚蠢实现从平面图形到三维构造的改变。图2动态展示了愚蠢变形的过程。位于三维构造曲折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旌旗灯号进行测量。受力、变形与应力传感器电旌旗灯号之间的互相关系经由过程有限元模仿以及实验进行了验证。
图1: 三维柔性微心理体系的构造与工作道理。
图2:从二维图形经由过程愚蠢变形为三维微构造的动态示意图。
这种三维柔性微心理体系被应用于小鼠组织工程肌来监测骨骼肌的紧缩活动。小鼠组织工程肌由肌母细胞在环形的模具平分化而成组织环。在此过程中，经由过程光遗传办法使得组织环对蓝光敏感，便于经由过程光照来控制肌肉环的紧缩。肌肉环能被套在三维柔性构造上，形成慎密稳定的机械结合(图3)。
图3: 三维柔性微心理体系与环形的小鼠骨骼肌组织集成过程。
传感机能
三维柔性微心理体系能经由过程内嵌的应力传感器精确测量肌肉环的紧缩位移和紧缩力。今朝常用的测量组织工程肌紧缩的办法是经由过程显微镜测量位移再转化为紧缩力。这种办法受限于显微镜分辨率以及帧数，很难对组织的紧缩活动精确测量。而三维柔性微心理体系能实现超高采样频率及渺小力的测量 (图4)。
图4: 三维柔性微心理体系测量的不合光刺激强度和频率下小鼠骨骼肌组织环的紧缩力。
经久监测与药物反响研究
因为器件稳定性以及生物兼容性，这种三维柔性微心理体系能实现对组织工程肌的紧缩活动进行经久持续监测。图5A显示了组织紧缩行动在数周时光内先加强后阑珊的过程。图5B-E展示了骨骼肌组织紧缩受乙酰胆碱、咖啡因和单挫林等化学试剂和药物感化下的影响。
图5: 三维柔性微心理体系测量小鼠骨骼肌组织环紧缩力的经久变更以及对不合药物的反响。
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