如果有人告訴你，
人類的心臟可以像變色龍一樣變色，
你會相信嗎？
近日，有科學家就根據(jù)變色龍的變色機制，
研究出了“可變色的心臟”。
下面這條可以變幻藍色和綠色光線的小魚，
就是由一片可變顏色的心肌細胞構(gòu)成的！
這是東南大學生物醫(yī)學工程學院生物電子學國家重點實驗室
趙遠錦教授課題組在“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)表在國際頂級期刊《Science Robotics》（科學-機器人）雜志上，
這也是中國學者獨立完成的首篇《科學》機器人子刊論文。
同時，它標志著世界首創(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)。
當利用微流控技術，
將載有活性心肌細胞的培養(yǎng)液注入到覆蓋這種特殊薄膜的“芯片”中后，
隨著心肌細胞由于搏動而產(chǎn)生的細胞的伸長和收縮，
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隨之改變，
從而就有了呈現(xiàn)出不同顏色的心肌細胞。
研究人員稱，除心肌細胞外，
平滑肌等具有收縮功能的細胞都能實現(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）
下面這個蝴蝶狀的生物機器人，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驗性心臟藥物，進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態(tài)機器人等智能器件奠定了基礎。
本研究所選擇的GelMA水凝膠，來源于有機體，并經(jīng)過化學修飾，
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，
它不但可以促進心肌細胞的黏附和生長，還能促進心肌細胞的周期性收縮頻率，
能夠賦予心肌細胞更靈活、持續(xù)的擴張及收縮能力。
（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胞培養(yǎng)）
同理，當藥物進入“芯片”后，引起心肌細胞“反應”，
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，
用來進行藥物評估和生物學研究等。
與常規(guī)的臨床試驗相比更經(jīng)濟、更快速而且無創(chuàng)傷性，
既是臨床和理論基礎之間一種有機的融合，也是多學科交叉的高度體現(xiàn)。
自2000年“器官芯片”興起以來，技術核心專利一直被美國控制。
課題組負責人趙遠錦介紹：
我們的“心臟芯片”運用了自主研發(fā)的活體結(jié)構(gòu)色材料，
相對于國外現(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，課題組會制造個體“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態(tài)機器人。
據(jù)麥姆斯咨詢2017年的報告顯示，
歐美研究人員在近幾年已經(jīng)在微流控芯片上實現(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用階段。
本研究面臨的問題與挑戰(zhàn)
趙遠錦教授說，
當心肌細胞驅(qū)動一塊獨立的反蛋白石結(jié)構(gòu)色水凝膠膜時，
會同時引起水凝膠膜內(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)色的改變來實現(xiàn)心肌細胞收縮力和跳動頻率的分析。
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)水凝膠彈性薄膜進行心肌細胞培養(yǎng)，
實現(xiàn)了細胞的誘導取向組裝，
在凝膠體系中較好的促進心肌細胞恢復自主跳動能力。
趙遠錦教授課題組關于構(gòu)建具有傳感功能的心肌細胞——“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國家重點實驗室經(jīng)費的大力支持。讓我們一起為課題組和其研究成果點贊吧！
