東南大學趙遠錦教授課題組在“器官芯片”的研究中取得重要進展，課題組成員受變色龍變色機制的啟發(fā)，將“活體”結構色水凝膠材料整合到微流體中，開發(fā)了具有微生理可視化功能的“心臟芯片”，為藥物篩選以及單細胞生物學研究等提供了嶄新的平臺。該研究成果于2018年3月29日以“Bioinspired livingstructural 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。趙遠錦教授是該篇論文的唯一通訊作者，東南大學2015級博士生付繁繁是該論文的第一作者。
基于結構色水凝膠構建的具有自反饋功能的蝴蝶
“器官芯片”是要在微流控芯片上仿生構建微器官來替代生物體，進行藥物評估和生物學研究等。作為構建未來新藥評價體系的重要發(fā)展趨勢，器官芯片對于支撐我國創(chuàng)新藥物研發(fā)以及轉化醫(yī)學的發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。心臟是人體最重要的器官，因此，構建具有心肌細胞傳感功能的“心臟芯片”是“器官芯片”開發(fā)的重要內容。東南大學趙遠錦教授課題組受變色龍細胞調控結構色的啟發(fā)，在國際上率先提出了構建具有結構色傳感功能的“心臟芯片”的設想。
趙遠錦教授說，變色龍改變顏色是通過其自身細胞對有序納米結構的調控來實現的，我們正式受此啟發(fā)，首次提出并實現利用細胞來調控結構色的概念（如圖1），將反蛋白石GelMA結構色水凝膠膜用作心肌細胞的載體，進行心肌細胞的培養(yǎng)。本研究之所以選擇GelMA水凝膠，是由于GelMA水凝膠來源于有機體，并經過化學修飾，因此其不但具備良好的生物相容性，還具有一定的彈性，是實現心肌細胞培養(yǎng)的理想載體。與其他商業(yè)材料相比，GelMA彈性水凝膠載體，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，賦予心肌細胞更靈活、持續(xù)的擴張及收縮能力。當談到變色機制時，趙老師又解釋說，由于心肌細胞的搏動過程伴隨著細胞的伸長和收縮，因此基底上的反蛋白石結構水凝膠彈性薄膜將經歷相同的體積或形態(tài)變化，表現為其自身同步變化的光子禁帶和結構色。
在本研究中，研究學者們也面臨一系列的問題與挑戰(zhàn)。首先，將反蛋白石結構水凝膠彈性薄膜用于心肌細胞的培養(yǎng)，雖然成功的實現了心肌細胞驅動反蛋白石水凝膠膜結構色的改變，達到了主動調控反蛋白石水凝膠的結構色的目的，但當心肌細胞驅動一塊獨立的反蛋白石結構色水凝膠膜時，會同時引起水凝膠膜內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構色改變。為了解決上述問題，控制單一變量，并借助反蛋白石水凝膠結構色的改變來實現心肌細胞收縮力和跳動頻率的分析。他們的解決方案是將水凝膠膜的四周固定，確保反蛋白石結構水凝膠彈性薄膜布拉格掠射角不會發(fā)生改變。當心肌細胞驅動反蛋白石結構水凝膠彈性薄膜的結構色周期性變化時，只會影響反蛋白石結構水凝膠彈性薄膜內部晶格的衍射平面間距的改變。而在體外心肌細胞的培養(yǎng)過程中，若實現心肌細胞的取向生長，將更加真實的模擬心肌細胞在心臟中的功能。為此，研究人員又利用表面具有微槽的反蛋白石結構水凝膠彈性薄膜進行心肌細胞培養(yǎng)，實現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
這種“活體”結構色水凝膠材料為構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。特別是將“活體”結構色水凝膠材料集成到微流控芯片中，一個前所未有的具有微生理可視化功能的“心臟芯片”得以開發(fā)。該技術在心肌相關的新藥評價和疾病研究中具有獨特優(yōu)勢，與常規(guī)的臨床試驗相比更經濟、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。其代表著我國創(chuàng)新藥物研發(fā)關鍵技術平臺的重大突破，有望加快我國成為醫(yī)藥科技強國的步伐。
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