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黄永刚罗杰斯及巴希尔联手PNAS: 用于组织工程的三维柔性传感器

原标题:黄永刚罗杰斯及巴希尔联手PNAS: 用于安排工程的电子游戏三维柔性传感器

黄永刚罗杰斯及巴希尔联手PNAS: 用于安排工程的三维柔性传感器

微生理体系 (microphysiological systems) 又名安排芯片 (tissue-on-chip) 或器官芯片 (organ-on-chip), 是经过在芯片上构建动物或人体的部分安排或器官的生理微体系,在体外模仿安排或器官的结构和功用。微生理体系在根底生物医学研讨和药物开发的体外建模上有重要使用。

现有的微生理体系或器官芯片大多数是根据二维平面结构,在模仿实在三维安排方面有限制,特别是针对老练的、结构较厚的三维形状的安排。骨骼肌便是一个比如。作为占人体体重约40%的安排,骨骼肌经过缩短发生运动,担任分配人的根本活动。针对检测骨骼肌生理活动的微生理体系可用来研讨肌肉萎缩症等疾病病理,以及开发相应药物进行针对性的医治。

近来,美国西北大学John A. Rogers课题组、黄永刚课题组与伊利诺伊大学香槟分校Rashid Bashir教授课题组在美国国家科学院院刊 (PNAS) 宣布了题为“Compliant 3D frameworks instrumented with strain sensors for characterization of millimeter-scale engineered muscle tissues”的研讨论文。原西北大学John A. Rogers组博士后、现南加州大学助理教授赵航波,Rashid Bashir组博士生Yongdeok Kim, 黄永刚组博士后王禾翎和宾州州立大学助理教授宁鑫为论文的一起榜首作者。美国西北大学John A. Rogers院士和黄永刚院士以及伊利诺伊大学Rashid Bashir教授为本文的一起通讯作者。

该效果经过微加工和委曲(buckling)完成集成有应力传感器的毫米标准的三维柔性结构,能完成准确可控的三维形状,与三维的小鼠安排工程骨骼肌构成严密结合。小鼠骨骼肌的细小缩短能经过三维柔性结构上的应力传感器检测到,然后完成对安排工程肌缩短的接连和高精度检测。相对现有的根据光学显微镜的丈量技能,这种三维柔性传感器能完成对安排工程肌缩短高精度、高通量、更快捷的片上丈量。在此三维柔性微生理传感器上,还进行了小鼠安排工程肌活动的长时间监测,以及测验对不同药物的反响。这种集成有传感器或其他功用器材的柔性三维体系关于开发微生理体系或器官芯片供给了新的办法。

结构与作业原理

图1展现了三维柔性微生理体系的结构与作业原理。首先用微加工制备包含了应力传感器的多层平面结构,然后利用在可拉伸基底上的委曲完成从平面图形到三维结构的改变。图2动态展现了委曲变形的进程。坐落三维结构弯曲处的应力传感器在受力变形时应力传感器能将变形转化成电信号进行丈量。受力、变形与应力传感器电信号之间的相互关系经过有限元模仿以及试验进行了验证。

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图1: 三维柔性微生理体系的结构与作业原理。

图2:从二维图形经过委曲变形为三维微结构的动态示意图。

这种三维柔性微生理体系被使用于小鼠安排工程肌来监测骨骼肌的缩短活动。小鼠安排工程肌由肌母细胞在环形的模具中分解而成安排环。在此进程中,经过光遗传办法使得安排环对蓝光灵敏,便于经过光照来操控肌肉环的缩短。肌肉环能被套在三维柔性结构上,构成严密安稳的机械结合(图3)。

图3: 三维柔性微生理体系与环形的小鼠骨骼肌安排集成进程。

传感功能

三维柔性微生理体系能经过内嵌的应力传感器准确丈量肌肉环的缩短位移和缩短力。现在常用的丈量安排工程肌缩短的办法是经过显微镜丈量位移再转化为缩短力。这种办法受限于显微镜分辨率以及帧数,很难对安排的缩短活动准确丈量。而三维柔性微生理体系能完成超高采样频率及细小力的丈量 (图4)。

图4: 三维柔性微生理体系丈量的不同光影响强度和频率下小鼠骨骼肌安排环的缩短力。

长时间监测与药物反响研讨

因为器材安稳性以及生物兼容性,这种三维柔性微生理体系能完成对安排工程肌的缩短活动进行长时间接连监测。图5A显现了安排缩短行为在数周时间内先增强后阑珊的进程。图5B-E展现了骨骼肌安排缩短受乙酰胆碱、咖啡因和单挫林等化学试剂和药物效果下的影响。

图5: 三维柔性微生理体系丈量小鼠骨骼肌安排环缩短力的长时间改变以及对不同药物的反响。

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