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莫納什大學(xué)程文龍教授《Nat. Commun.》: 基于電子皮膚的柔性傳感器用于心臟類器官的“脈動”的遠程無線監(jiān)控

2022-12-01 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：納米裂紋薄膜電子皮膚柔性傳感器心臟類器官動態(tài)監(jiān)測把脈診斷動態(tài)力學(xué)傳導(dǎo)

干細胞衍生的心臟類器官是了解人類心臟組織收縮動力學(xué)，心血管功能和疾病的重要平臺。然而，這類懸浮于培養(yǎng)液種的柔軟微小類器官（直徑約1mm）與傳統(tǒng)剛性力學(xué)傳感器力學(xué)性能不匹配，無法實現(xiàn)共形接觸，并且缺少與類器官培養(yǎng)環(huán)境相匹配的柔性平臺以實現(xiàn)長期，無線，遠程，即時原位監(jiān)測。

針對這個問題，澳大利亞莫納什大學(xué)程文龍教授課題組設(shè)計了一種基于納米裂紋薄膜的柔性電子皮膚平臺。該平臺受中醫(yī)把脈診斷中的動態(tài)力學(xué)傳導(dǎo)過程的啟發(fā)，報告了一種基于電子皮膚的保形軟測量系統(tǒng)用于無創(chuàng)心臟類器官動態(tài)監(jiān)測。在把脈診斷中，靜脈夾在患者的組織和醫(yī)生的手指之間，這本質(zhì)上是一個全軟接觸的機械傳導(dǎo)過程，需要維持最佳的接觸力度，以便醫(yī)生的大腦可以檢測到與人類心臟的收縮和舒張功能相關(guān)的微小應(yīng)變變化。類似地，在心臟類器官監(jiān)測中，一個由微型位移平臺，PDMS‘’手指‘’，以及柔性力感應(yīng)薄膜組成的平臺可以模擬指尖機械感受器的功能建立適形電子皮膚軟傳感器-類器官微接觸，實現(xiàn)實時，精確，遠程檢測心臟類器官跳動。相關(guān)工作以“A soft and ultrasensitive force sensing diaphragm for probing cardiac organoids instantaneously and wirelessly”為題發(fā)表在《Nature Communications》。
不同于傳統(tǒng)剛性傳感器，該工作構(gòu)建了一個基于PDMS的全柔性培養(yǎng)平臺（圖1a）同時實現(xiàn)心臟類器官的培養(yǎng)和監(jiān)測。PDMS探針通過調(diào)整微型位移平臺可以與心臟類器官進行類似于AFM的輕微接觸以使類器官與其下的超薄電子皮膚建立最佳接觸條件（圖1e-f），從而實現(xiàn)對心肌細胞收縮與舒張這樣的微小應(yīng)力進行直接監(jiān)測。該平臺對心臟類器官監(jiān)測的穩(wěn)定性與準確性也通過了激光多普勒測速儀（圖1k-l），光學(xué)顯微鏡（圖2a-f），以及商用微電極陣列 (圖2g-o)等不同傳統(tǒng)監(jiān)測方法的驗證。同時，對弱跳動類器官的進一步測量表明，柔性力學(xué)傳感平臺的靈敏度高于傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡。更重要的是，這種柔性力學(xué)監(jiān)測平臺適用于各種不同培養(yǎng)環(huán)境以及條件例如電刺激響應(yīng)及復(fù)蘇（圖3），給藥（圖4），長期培養(yǎng)及疾病建模過程（圖5）監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果證明柔性平臺能夠檢測到類器官由于臨床相關(guān)病理改變對其收縮/舒張動態(tài)機械性能的影響。此外，通過集成藍牙模塊和柔性印刷線路板，該平臺可以實現(xiàn)在智能手機上對培養(yǎng)在恒溫箱種的心臟類器官進行實時，無線監(jiān)測（圖6）。這證明了無線心臟類器官監(jiān)測系統(tǒng)的便利性，為遠程生物監(jiān)測提供了新思路。