如果有人告訴你，
人類的心臟可以像變色龍一樣變色，
你會(huì)相信嗎？
近日，有科學(xué)家就根據(jù)變色龍的變色機(jī)制，
研究出了“可變色的心臟”。
下面這條可以變幻藍(lán)色和綠色光線的小魚，
就是由一片可變顏色的心肌細(xì)胞構(gòu)成的！
這是東南大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院生物電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
趙遠(yuǎn)錦教授課題組在“器官芯片”研究中取得的重要研究成果，
該研究成果以“Bioinspired living structural color hydrogels”為題，
發(fā)表在國際頂級(jí)期刊《Science Robotics》（科學(xué)-機(jī)器人）雜志上，
這也是中國學(xué)者獨(dú)立完成的首篇《科學(xué)》機(jī)器人子刊論文。
同時(shí)，它標(biāo)志著世界首創(chuàng)性的、具有微生理可視化功能的“心臟芯片”問世！
這種“心臟芯片”技術(shù)怎么來的？
該課題組研發(fā)了一種表面具有微槽的水凝膠彈性薄膜，
即一種活體結(jié)構(gòu)色材料，
這種材料具有果凍質(zhì)感，并且五光十色，
其內(nèi)部包含一系列微小孔洞狀的結(jié)構(gòu)。
當(dāng)利用微流控技術(shù)，
將載有活性心肌細(xì)胞的培養(yǎng)液注入到覆蓋這種特殊薄膜的“芯片”中后，
隨著心肌細(xì)胞由于搏動(dòng)而產(chǎn)生的細(xì)胞的伸長和收縮，
基底上的反蛋白石結(jié)構(gòu)水凝膠彈性薄膜將經(jīng)歷相同的體積或形態(tài)變化，
由于凝膠內(nèi)部的晶體排列變化，反射光之間的干涉效果也會(huì)隨之改變，
從而就有了呈現(xiàn)出不同顏色的心肌細(xì)胞。
研究人員稱，除心肌細(xì)胞外，
平滑肌等具有收縮功能的細(xì)胞都能實(shí)現(xiàn)這種功能。
（上圖為具有自主調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)色功能的反蛋白石水凝膠示意圖）
下面這個(gè)蝴蝶狀的生物機(jī)器人，也是利用水凝膠創(chuàng)造的。
并添加了模仿變色龍皮膚顏色變化特性的虹彩納米晶體。
它可以幫助研究人員測試實(shí)驗(yàn)性心臟藥物，進(jìn)而幫助拯救人類的生命。
這種“活體”結(jié)構(gòu)色水凝膠材料也為構(gòu)建具有自反饋功能的動(dòng)態(tài)機(jī)器人等智能器件奠定了基礎(chǔ)。
本研究所選擇的GelMA水凝膠，來源于有機(jī)體，并經(jīng)過化學(xué)修飾，
具備良好的生物相容性和一定的彈性，
與其他商業(yè)材料相比，
它不但可以促進(jìn)心肌細(xì)胞的黏附和生長，還能促進(jìn)心肌細(xì)胞的周期性收縮頻率，
能夠賦予心肌細(xì)胞更靈活、持續(xù)的擴(kuò)張及收縮能力。
（上圖為微槽的反蛋白石結(jié)構(gòu)水凝膠彈性薄膜用于心肌細(xì)胞培養(yǎng)）
同理，當(dāng)藥物進(jìn)入“芯片”后，引起心肌細(xì)胞“反應(yīng)”，
薄膜隨之發(fā)生變化，顏色發(fā)生改變，即可以確定該藥的藥效。
關(guān)于“器官芯片”
“器官芯片”是通過在微流控芯片上仿生構(gòu)建微器官替代生物體，
用來進(jìn)行藥物評(píng)估和生物學(xué)研究等。
與常規(guī)的臨床試驗(yàn)相比更經(jīng)濟(jì)、更快速而且無創(chuàng)傷性，
既是臨床和理論基礎(chǔ)之間一種有機(jī)的融合，也是多學(xué)科交叉的高度體現(xiàn)。
自2000年“器官芯片”興起以來，技術(shù)核心專利一直被美國控制。
課題組負(fù)責(zé)人趙遠(yuǎn)錦介紹：
我們的“心臟芯片”運(yùn)用了自主研發(fā)的活體結(jié)構(gòu)色材料，
相對(duì)于國外現(xiàn)有“器官芯片”使用的普通柔性材料，
可更為直觀地觀測到心肌細(xì)胞的變化。
據(jù)悉，這種“心臟芯片”若可批量生產(chǎn)，
一枚芯片成本僅為200元。
接下來，課題組會(huì)制造個(gè)體“心臟芯片”，并繼續(xù)研發(fā)“肺芯片”“腎芯片”等，
形成完整的“人體芯片”結(jié)構(gòu)，構(gòu)建具有自反饋功能的動(dòng)態(tài)機(jī)器人。
據(jù)麥姆斯咨詢2017年的報(bào)告顯示，
歐美研究人員在近幾年已經(jīng)在微流控芯片上實(shí)現(xiàn)了眾多人體器官的構(gòu)建，
如芯片肝、芯片肺、芯片腸、芯片腎、芯片血管、芯片心臟以及多器官芯片等。
此外，國外知名研究單位和制藥公司之間的合作也已使器官芯片步入了實(shí)用階段。
本研究面臨的問題與挑戰(zhàn)
趙遠(yuǎn)錦教授說，
當(dāng)心肌細(xì)胞驅(qū)動(dòng)一塊獨(dú)立的反蛋白石結(jié)構(gòu)色水凝膠膜時(shí)，
會(huì)同時(shí)引起水凝膠膜內(nèi)部晶格中衍射平面間距和布拉格掠射角的雙重改變，
從而引起不均一的水凝膠膜結(jié)構(gòu)色改變。
為了解決上述問題，課題組解決方案是控制單一變量，
借助反蛋白石水凝膠結(jié)構(gòu)色的改變來實(shí)現(xiàn)心肌細(xì)胞收縮力和跳動(dòng)頻率的分析。
以及將水凝膠膜的四周固定等方法，
確保反蛋白石結(jié)構(gòu)水凝膠彈性薄膜布拉格掠射角不會(huì)發(fā)生改變。
（上圖為微槽的反蛋白石結(jié)構(gòu)水凝膠彈性薄膜用于“心臟芯片”的構(gòu)建）
而在體外心肌細(xì)胞的培養(yǎng)過程中，
研究人員又利用表面具有微槽的反蛋白石結(jié)構(gòu)水凝膠彈性薄膜進(jìn)行心肌細(xì)胞培養(yǎng)，
實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的誘導(dǎo)取向組裝，
在凝膠體系中較好的促進(jìn)心肌細(xì)胞恢復(fù)自主跳動(dòng)能力。
趙遠(yuǎn)錦教授課題組關(guān)于構(gòu)建具有傳感功能的心肌細(xì)胞——“心臟芯片”這一研究，也得到了國家優(yōu)秀青年基金、江蘇省杰出青年基金以及生物電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)的大力支持。讓我們一起為課題組和其研究成果點(diǎn)贊吧！
