來源：機器人大講堂

【新智元導讀】東南大學生物醫學工程學院生物電子學國家重點實驗室趙遠錦教授課題組在「器官晶元」研究中取得重要研究成果，發表在國際頂級期刊《Science Robotics》，這是中國學者獨立完成的首篇《科學》機器人子刊論文，也標誌著世界首創性的、具有微生理可視化功能的「心臟晶元」問世！

如果有人告訴你，人類的心臟可以像變色龍一樣變色，你會相信嗎？

近日，有科學家就根據變色龍的變色機制，研究出了「可變色的心臟」。

下面這條可以變幻藍色和綠色光線的小魚，就是由一片可變顏色的心肌細胞構成的！

這是東南大學生物醫學工程學院生物電子學國家重點實驗室趙遠錦教授課題組在「器官晶元」研究中取得的重要研究成果。

該研究成果以「Bioinspired living structural color hydrogels」為題，發表在國際頂級期刊《Science Robotics》（科學-機器人）雜誌上，這也是中國學者獨立完成的首篇《科學》機器人子刊論文。

同時，它標誌著世界首創性的、具有微生理可視化功能的「心臟晶元」問世！

這種「心臟晶元」技術是怎麼來的？

該課題組研發了一種表面具有微槽的水凝膠彈性薄膜，即一種活體結構色材料，這種材料具有果凍質感，並且五光十色，其內部包含一系列微小孔洞狀的結構。

當利用微流控技術，將載有活性心肌細胞的培養液注入到覆蓋這種特殊薄膜的「晶元」中後，隨著心肌細胞由於搏動而產生的細胞的伸長和收縮，基底上的反蛋白石結構水凝膠彈性薄膜將經歷相同的體積或形態變化，由於凝膠內部的晶體排列變化，反射光之間的干涉效果也會隨之改變，從而就有了呈現出不同顏色的心肌細胞。

研究人員稱，除心肌細胞外，平滑肌等具有收縮功能的細胞都能實現這種功能。

（上圖為具有自主調節結構色功能的反蛋白石水凝膠示意圖）

下面這個蝴蝶狀的生物機器人，也是利用水凝膠創造的，添加了模仿變色龍皮膚顏色變化特性的虹彩納米晶體。

它可以幫助研究人員測試實驗性心臟藥物，進而幫助拯救人類的生命。

這種「活體」結構色水凝膠材料也為構建具有自反饋功能的動態機器人等智能器件奠定了基礎。

本研究所選擇的GelMA水凝膠，來源於有機體，並經過化學修飾，具備良好的生物相容性和一定的彈性。

與其他商業材料相比，它不但可以促進心肌細胞的黏附和生長，還能促進心肌細胞的周期性收縮頻率，能夠賦予心肌細胞更靈活、持續的擴張及收縮能力。

（上圖為微槽的反蛋白石結構水凝膠彈性薄膜用於心肌細胞培養）

同理，當藥物進入「晶元」後，引起心肌細胞「反應」，薄膜隨之發生變化，顏色發生改變，即可以確定該葯的藥效。

關於「器官晶元」

「器官晶元」是通過在微流控晶元上仿生構建微器官替代生物體，用來進行藥物評估和生物學研究等。

與常規的臨床試驗相比更經濟、更快速而且無創傷性，既是臨床和理論基礎之間一種有機的融合，也是多學科交叉的高度體現。

自2000年「器官晶元」興起以來，技術核心專利一直被美國控制。課題組負責人趙遠錦介紹：我們的「心臟晶元」運用了自主研發的活體結構色材料，相對於國外現有「器官晶元」使用的普通柔性材料，可更為直觀地觀測到心肌細胞的變化。

據悉，這種「心臟晶元」若可批量生產，一枚晶元成本僅為200元。

接下來，課題組會製造個體「心臟晶元」，並繼續研發「肺晶元」「腎晶元」等，形成完整的「人體晶元」結構，構建具有自反饋功能的動態機器人。

據麥姆斯諮詢2017年的報告顯示，歐美研究人員在近幾年已經在微流控晶元上實現了眾多人體器官的構建，如晶元肝、晶元肺、晶元腸、晶元腎、晶元血管、晶元心臟以及多器官晶元等。

此外，國外知名研究單位和製藥公司之間的合作也已使器官晶元步入了實用階段。

本研究面臨的問題與挑戰

趙遠錦教授說，當心肌細胞驅動一塊獨立的反蛋白石結構色水凝膠膜時，會同時引起水凝膠膜內部晶格中衍射平面間距和布拉格掠射角的雙重改變，從而引起不均一的水凝膠膜結構色改變。

為了解決上述問題，課題組解決方案是控制單一變數，藉助反蛋白石水凝膠結構色的改變來實現心肌細胞收縮力和跳動頻率的分析，以及將水凝膠膜的四周固定等方法，確保反蛋白石結構水凝膠彈性薄膜布拉格掠射角不會發生改變。

（上圖為微槽的反蛋白石結構水凝膠彈性薄膜用於「心臟晶元」的構建）

而在體外心肌細胞的培養過程中，研究人員又利用表面具有微槽的反蛋白石結構水凝膠彈性薄膜進行心肌細胞培養，實現了細胞的誘導取向組裝，在凝膠體系中較好的促進心肌細胞恢復自主跳動能力。

趙遠錦教授課題組關於構建具有感測功能的心肌細胞——「心臟晶元」這一研究，也得到了國家優秀青年基金、江蘇省傑出青年基金以及生物電子學國家重點實驗室經費的大力支持。讓我們一起為課題組和其研究成果點贊吧！

本文經授權轉載自機器人大講堂，特此感謝

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