黄永刚罗杰斯及巴希尔携手发布: 用于组织工程的三维柔性传感器

黄永刚罗杰斯及巴希尔携手发布: 用于组织工程的三维柔性传感器

结构与工作原理

图1展示了三维柔性微生理系统的结构与工作原理。首先用微加工制备包括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屈曲实现从平面图形到三维结构的转变。图2动态展示了屈曲变形的过程。位于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测量。受力、变形与应力传感器电信号之间的相互关系通过有限元模拟以及实验进行了验证。

图1： 三维柔性微生理系统的结构与工作原理。

图2：从二维图形通过屈曲变形为三维微结构的动态示意图。

这种三维柔性微生理系统被应用于小鼠组织工程肌来监测骨骼肌的收缩活动。小鼠组织工程肌由肌母细胞在环形的模具中分化而成组织环。在此过程中，通过光遗传方法使得组织环对蓝光敏感，便于通过光照来控制肌肉环的收缩。肌肉环能被套在三维柔性结构上，形成紧密稳定的机械结合（图3）。

图3： 三维柔性微生理系统与环形的小鼠骨骼肌组织集成过程。

传感性能

三维柔性微生理系统能通过内嵌的应力传感器精确测量肌肉环的收缩位移和收缩力。目前常用的测量组织工程肌收缩的方法是通过显微镜测量位移再转化为收缩力。这种方法受限于显微镜分辨率以及帧数，很难对组织的收缩活动精确测量。而三维柔性微生理系统能实现超高采样频率及微小力的测量 （图4）。

图4： 三维柔性微生理系统测量的不同光刺激强度和频率下小鼠骨骼肌组织环的收缩力。

长期监测与药物反应研究

由于器件稳定性以及生物兼容性，这种三维柔性微生理系统能实现对组织工程肌的收缩活动进行长期连续监测。图5A显示了组织收缩行为在数周时间内先增强后衰退的过程。图5B-E展示了骨骼肌组织收缩受乙酰胆碱、咖啡因和单挫林等化学试剂和药物作用下的影响。

图5： 三维柔性微生理系统测量小鼠骨骼肌组织环收缩力的长期变化以及对不同药物的反应。