通过测量心肌细胞收缩力的变化，已经提出了几种体外评价药物引起的心脏毒性的方法。微孔、悬臂梁等传感平台的变形来研究心肌细胞的生理特性，具有使用方便、制造成本低、灵敏度高、可用于高通量应用等优点，被认为是一种很有前途的方法。基于以上优点，研究人员开发出了基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）微柱、悬臂梁式传感器结构、巨磁阻（GMR）传感器阵列、压电致动器、应变传感器的传感平台，但这些传感器的测量因子较低，灵敏度低、无法达到测量要求，因此，开发高灵敏度的传感器来连续测量心肌细胞的收缩力，检测药物处理后心肌细胞收缩力的变化规律的工作迫在眉睫。
近日，韩国全南大学Dong-Weon Lee教授团队提出了一个悬臂装置与聚二甲基硅氧烷（PDMS）封装裂缝传感器集成，用于测量心脏收缩力。裂纹传感器与PDMS薄层化学结合，在培养基中可以非常稳定地工作。高灵敏度裂纹传感器在长达26天（>500万次心跳）的时间内连续测量心肌收缩力而不改变其测量因子，同时使用裂纹传感器集成悬臂梁监测药物引起的收缩力变化。该悬臂梁由硅橡胶悬臂梁、PDMS薄膜和玻璃体组成。图1a显示出各层的尺寸；图1b为裂纹传感器集成硅橡胶悬臂梁的示意图，硅橡胶悬臂梁上形成了基于金属裂纹的高灵敏度应变传感器，使得能够精确监测悬臂梁上培养的心肌细胞的机械收缩引起的应变变化。Au修饰的玻璃部分与Pt修饰的PDMS硅橡胶部分通过等离子键合连接。图1c悬臂表面形成的沿凹槽方向排列心肌细胞的纳米图案，及用于测量心肌细胞收缩力的悬臂传感器的原理。图1d显示了在培养基中工作的不同裂纹传感器的等效电路图。传统裂纹传感器的电路由一个带裂纹和液体的并联电阻组成，而电流在裂纹传感器中只通过悬臂梁上产生的裂纹流动。a)PDMS封装的裂缝传感器集成硅橡胶悬臂的尺寸; b)硅橡胶悬臂示意图以及悬臂传感器的工作原理;c）纳米图案用于在悬臂表面对齐心肌细胞; d）在培养基中运行的两种不同裂纹传感器的电路图。a)由于心肌细胞的收缩和松弛而引起的标准化的悬臂位移。b)、 c)不同成熟日心肌细胞的相对收缩力和搏动率。a) 不同浓度的维拉帕米处理的心肌细胞后，实时跟踪传感器电阻率和悬臂位移变化；b）、c）心肌细胞产生的悬臂位移和相对收缩力。d）、e)不同维拉帕米浓度下，心肌细胞的搏动率。f）在不同维拉帕米浓度下接种的悬臂心肌细胞的抗性变化。g) 在不同维拉帕米浓度下心肌细胞的上升时间和衰减时间。a) 不同浓度的奎尼丁处理的心肌细胞后，实时跟踪传感器电阻率和悬臂位移变化；b）、c）心肌细胞产生的悬臂位移和相对收缩力。d）、e)不同奎尼丁浓度下，心肌细胞的搏动率。f）在不同奎尼丁浓度下接种的悬臂心肌细胞的抗性变化。g) 在不同奎尼丁浓度下心肌细胞的上升时间和衰减时间。综上，作者提出了聚二甲基硅氧烷（PDMS）封裂缝传感器“联姻”硅橡胶悬臂用于测量心脏收缩力。裂纹传感器与PDMS薄层化学结合，在培养基中可以非常稳定地工作，因此可以长期使用，同时还可以保持较高的灵敏度。裂纹传感器在长达26天（>500万次心跳）的时间内连续测量心肌收缩力而不改变其测量因子，同时使用裂纹传感器集成悬臂梁监测药物引起的收缩力变化。https://doi.org/10.1038/s41467-019-14019-y![]()
名称：材料科学前沿
ID：MaterialFrontiers
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