干細(xì)胞衍生的心臟類(lèi)器官是了解人類(lèi)心臟組織收縮動(dòng)力學(xué)，心血管功能和疾病的重要平臺(tái)。然而，這類(lèi)懸浮于培養(yǎng)液種的柔軟微小類(lèi)器官（直徑約1mm）與傳統(tǒng)剛性力學(xué)傳感器力學(xué)性能不匹配，無(wú)法實(shí)現(xiàn)共形接觸，并且缺少與類(lèi)器官培養(yǎng)環(huán)境相匹配的柔性平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期，無(wú)線，遠(yuǎn)程，即時(shí)原位監(jiān)測(cè)。
針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，澳大利亞莫納什大學(xué)程文龍教授課題組設(shè)計(jì)了一種基于納米裂紋薄膜的柔性電子皮膚平臺(tái)。該平臺(tái)受中醫(yī)把脈診斷中的動(dòng)態(tài)力學(xué)傳導(dǎo)過(guò)程的啟發(fā)，報(bào)告了一種基于電子皮膚的保形軟測(cè)量系統(tǒng)用于無(wú)創(chuàng)心臟類(lèi)器官動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。在把脈診斷中，靜脈夾在患者的組織和醫(yī)生的手指之間，這本質(zhì)上是一個(gè)全軟接觸的機(jī)械傳導(dǎo)過(guò)程，需要維持最佳的接觸力度，以便醫(yī)生的大腦可以檢測(cè)到與人類(lèi)心臟的收縮和舒張功能相關(guān)的微小應(yīng)變變化。類(lèi)似地，在心臟類(lèi)器官監(jiān)測(cè)中，一個(gè)由微型位移平臺(tái)，PDMS‘’手指‘’，以及柔性力感應(yīng)薄膜組成的平臺(tái)可以模擬指尖機(jī)械感受器的功能建立適形電子皮膚軟傳感器-類(lèi)器官微接觸，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)，精確，遠(yuǎn)程檢測(cè)心臟類(lèi)器官跳動(dòng)。相關(guān)工作以“A soft and ultrasensitive force sensing diaphragm for probing cardiac organoids instantaneously and wirelessly”為題發(fā)表在《Nature Communications》。
不同于傳統(tǒng)剛性傳感器，該工作構(gòu)建了一個(gè)基于PDMS的全柔性培養(yǎng)平臺(tái)（圖1a）同時(shí)實(shí)現(xiàn)心臟類(lèi)器官的培養(yǎng)和監(jiān)測(cè)。PDMS探針通過(guò)調(diào)整微型位移平臺(tái)可以與心臟類(lèi)器官進(jìn)行類(lèi)似于AFM的輕微接觸以使類(lèi)器官與其下的超薄電子皮膚建立最佳接觸條件 （圖1e-f），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)心肌細(xì)胞收縮與舒張這樣的微小應(yīng)力進(jìn)行直接監(jiān)測(cè)。該平臺(tái)對(duì)心臟類(lèi)器官監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性也通過(guò)了激光多普勒測(cè)速儀（圖1k-l），光學(xué)顯微鏡（圖2a-f），以及商用微電極陣列 (圖2g-o)等不同傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的驗(yàn)證。同時(shí)，對(duì)弱跳動(dòng)類(lèi)器官的進(jìn)一步測(cè)量表明，柔性力學(xué)傳感平臺(tái)的靈敏度高于傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡。更重要的是，這種柔性力學(xué)監(jiān)測(cè)平臺(tái)適用于各種不同培養(yǎng)環(huán)境以及條件例如電刺激響應(yīng)及復(fù)蘇（圖3），給藥（圖4），長(zhǎng)期培養(yǎng)及疾病建模過(guò)程（圖5）監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果證明柔性平臺(tái)能夠檢測(cè)到類(lèi)器官由于臨床相關(guān)病理改變對(duì)其收縮/舒張動(dòng)態(tài)機(jī)械性能的影響。此外，通過(guò)集成藍(lán)牙模塊和柔性印刷線路板，該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)在智能手機(jī)上對(duì)培養(yǎng)在恒溫箱種的心臟類(lèi)器官進(jìn)行實(shí)時(shí)，無(wú)線監(jiān)測(cè) （圖6）。這證明了無(wú)線心臟類(lèi)器官監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的便利性，為遠(yuǎn)程生物監(jiān)測(cè)提供了新思路。
圖1 柔性納米裂紋力學(xué)傳感平臺(tái)的制備與表征
圖2 光學(xué)/動(dòng)態(tài)力學(xué)監(jiān)測(cè)與電生理學(xué)/動(dòng)態(tài)力學(xué)監(jiān)測(cè)心臟類(lèi)器官的同步對(duì)比
圖3 電刺激環(huán)境下心臟類(lèi)器官的即時(shí)力學(xué)監(jiān)測(cè)
圖4心臟類(lèi)器官給藥（卡巴膽堿）過(guò)程的即時(shí)力學(xué)監(jiān)測(cè)
圖5 心臟類(lèi)器官長(zhǎng)期培養(yǎng)過(guò)程中的發(fā)育研究與糖尿病疾病建模
圖6 心臟類(lèi)器官遠(yuǎn)程、無(wú)線監(jiān)測(cè)
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