基于电子皮肤的柔性传感器用于心脏类器官“脉动”的远程无线监控

研究背景

干细胞衍生的心脏器官组织的动态机械特性可提供重要的生物学线索，用于了解人体心脏组织如何生长并对电刺激（ES）和药剂做出动态反应。因此，心脏器官组织可能成为下一代模型，用于更好地了解心血管功能和疾病，指导个性化医学的发展。然而，在其自然生理微环境下直接、实时、原位测量其机械特性一直是个挑战。

光学成像是目前追踪心脏组织搏动的主要方法 ，它可以记录心脏组织的抽搐运动，或在荧光染料染色后绘制 Ca2+ 通量图 ，但它不能直接测量机械特性。虽然可以根据经典的光束理论建立机械模型，将视频转换为运动，然后再转换为力，但超大的光学成像数据存储量和后处理要求阻碍了对心脏器官机械特性的直接和实时表征。目前正在开发将心脏组织与柔软的电子传感器或所谓的电子皮肤整合在一起的技术。精确和瞬时探测机械特性的根本限制在于柔软的曲线组织与刚性、平面和笨重的电子传感器之间在力学和拓扑结构上的不匹配。

研究成果

针对这个问题，澳大利亚莫纳什大学程文龙教授课题组设计了一种基于纳米裂纹薄膜的柔性电子皮肤平台。该平台受中医把脉诊断中的动态力学传导过程的启发，报告了一种基于电子皮肤的保形软测量系统用于无创心脏类器官动态监测。在把脉诊断中，静脉夹在患者的组织和医生的手指之间，这本质上是一个全软接触的机械传导过程，需要维持最佳的接触力度，以便医生的大脑可以检测到与人类心脏的收缩和舒张功能相关的微小应变变化。类似地，在心脏类器官监测中，一个由微型位移平台，PDMS‘’手指‘’，以及柔性力感应薄膜组成的平台可以模拟指尖机械感受器的功能建立适形电子皮肤软传感器-类器官微接触，实现实时，精确，远程检测心脏类器官跳动。相关工作以“A soft and ultrasensitive force sensing diaphragm for probing cardiac organoids instantaneously and wirelessly”为题发表在《Nature Communications》期刊上。

图文导读

Fig. 1: Fabrication and characterization of the elastic nanocracked force-sensing diaphragm.

Fig. 2: Simultaneous optical/force measurements and electrophysiological/force measurements.

Fig. 3: Instantaneous measurement of cardiac organoids during electrical stimulation in ambient conditions.

Fig. 4: Instantaneous measurement of cardiac organoids treated with a chronotropic agent.

Fig. 5: Developmental studies during tissue culture and diabetic disease modeling.

Fig. 6: Integration of wireless BLE module to the biosensory system.

总结与展望

总之，作者报告了一种简单而高效的策略，即只用 PDMS 和铂膜制造全软的类器官传感器，并将对类器官自然培养环境的干扰降到最低。以 PDMS 为支撑的纳米铂薄膜可用作力传感膜片，具有卓越的灵敏度和快速反应能力，这是瞬时检测心脏类器官收缩/舒张事件所必需的。类似原子力显微镜的软啮合能够建立可靠的类器官-膜片接触，这对实现高信噪比至关重要。此外，与之前测量类器官生物力学特性的悬臂压入系统相比，这种类似原子力显微镜的软啮合方法在固定非附着类器官方面更具优势。这种方法快速、方便、可逆，可用于自然培养皿条件下的单个类器官。尽管简单，但我们的传感器功能强大，能够在电刺激、电复苏、药物剂量、组织培养和疾病建模等复杂微环境下即时识别心脏类器官收缩/舒张过程的关键机械特征（如跳动频率、强度、跳动模式的规律性等）。我们所展示的对细胞培养箱内的 "培养中 "器官组织进行无线和远程监控的能力预示着随时随地自动虚拟组织培养监控系统的美好前景。我们相信，我们的软电子传感器设计是实时检测小规模生物力的潜在通用途径。它可以扩展到检测来自其他目标（如肺和肌肉组织）的生物力，甚至来自小动物的力。

文献链接

A soft and ultrasensitive force sensing diaphragm for probing cardiac organoids instantaneously and wirelessly

https://www.nature.com/articles/s41467-022-34860-y

转自：“i学术i科研”微信公众号

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