近日，东南大学生物科学与医学工程学院赵远锦教授课题组，在心脏芯片研究方面取得重大突破。与此同时，该研究成果论文于2017年3月7日发表在国际知名学术刊物《先进材料》Advanced Materials（影响因子：18.96）。
通常，器官芯片是要在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。由于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。
赵远锦教授团队基于弹簧对于力学的测定原理，提出了用螺旋结构纤维进行心肌细胞力学传感的设想。螺旋结构是自然界最普遍的一种形状，携带重要生命遗传信息的DNA、攀附在其他物体向上生长的植物藤蔓，包括日常使用的弹簧等都采用了这种在局限空间里最佳的存在方式--螺旋结构。受此启发，科学家们仿生研制了一系列用于微机电系统、光学传感等的螺旋纤维，纳米尺度的螺旋结构可以通过分子组装等方式实现，宏观弹簧等的螺旋结构则可以通过机械加工手段获得。然而，微尺度的仿生螺旋纤维，特别是具有生物响应性的螺旋纤维尚无报道。
值得一提的是，该课题组研究发现借助于共轴毛细管微流控系统，通过调节多相流体在微流控通道中的流动行为，再结合流体的快速凝胶化，就可得到具有连续螺旋结构的微米纤维，纤维的螺距也可通过流体精确调控。不仅如此，利用三维微流控芯片的技术优势，通过拓展凝胶前体溶液的流体通道，还可纺织得到多组分结构、核壳结构、以及双螺旋结构的螺旋纤维。
由于构成螺旋纤维的水凝胶材料具有较好的柔性，研究者在流体中掺入具有磁响应性的纳米粒子或温度响应性的高分子就可以赋予螺旋纤维特定的刺激响应性功能。这些刺激响应性螺旋纤维还表现为弹簧的基本特性，即螺距的可复性改变。在此基础上，研究人员将螺旋纤维连接在培养有小鼠心肌细胞的水凝胶膜上，发现随着心肌细胞的规律跳动，纤维的螺距发生规律性的变化，这样只需测量螺距的变化大小通过螺旋纤维的弹性模量就可以推算出膜上心肌细胞的收缩力大小，实现了细胞力学的传感。
此项研究成果的最大意义在于，通过简单的微流控技术即可得到具有特定微结构的聚合物螺旋纤维，这对于聚合物材料的功能拓展及其生物医学应用有着重要的启示作用。并且在器官芯片，尤其是心脏芯片的研究、心肌相关的药物开发中具有重要的应用价值。
作者：赵远锦
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