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武汉大学最新《Angew》:超柔软电极实时监测心肌细胞

来源:高分子科学前沿|

发表时间:2022-04-27

点击:10312

在生物体内许多细胞都有其固有运动,这些运动涉及多种生物化学和生物物理信号的发生,并且协同调节细胞的行为和功能。近年来,柔性传感器在传感、能源和电子器件等领域展示了巨大的应用前景。在生物检测方面,可拉伸电化学传感器由于具有灵敏度高、检测限低、响应速度快等特点,在实时监测动态形变细胞和组织方面展示出独特优势。然而,绝大部分柔性可拉伸传感器都需要基底支撑表面的导电材料,基底材料的存在通常会使整个传感器的弹性模量达到数百MPa甚至GPa,远超体内大多数组织(kPa~MPa范围)。传感器材料与生物体系之间的严重机械不匹配,可能会限制细胞或组织的固有运动,甚至造成组织损伤。因此,亟需发展一种超柔软传感器对自主运动细胞进行实时监测。



近日,武汉大学黄卫华教授和刘艳玲副教授团队首次报道了一种基于纳米网络结构的超柔软自支撑电极,不仅能够使心肌细胞保持自身节律性收缩运动,同时实时监测细胞运动中的化学和电生理信号。该电极由静电纺丝技术制备,直接在镂空结构基底表面形成可自支撑的基于PEDOT纳米纤维的网络结构(图1),DMSO后处理大大提高了该传感器的湿稳定性、电导率和电化学性能,其杨氏模量为9.38 ± 0.21 MPa,与胶原等天然细胞外基质制备的纤维相当。此外,研究者可通过改变静电纺丝过程参数,制备PEDOT纳米纤维角度可控的定向网络结构;在电纺溶液中添加不同电催化剂,调控电极的电化学性能。相关成果以“Soft Electrodes for Electrochemical and Electrophysiological Monitoring of Beating Cardiomyocytes”为题发表在《德国应化》杂志上,该论文的共同第一作者为武汉大学硕士生严丽萍和博士生温铭永黄卫华教授刘艳玲副教授为共同通讯作者。


图1. 基于PEDOT纳米纤维材料的表征结果


随后,将大鼠原代心肌细胞培养在基于PEDOT纳米网的超柔软电极表面,细胞在电极表面充分伸展,不仅表现出自主有节奏的收缩和舒张运动,同时带动下面电极同步变形。在此基础上,超柔软传感器实时监测了心肌细胞自主运动过程中释放的一氧化氮(NO)信号分子以及电生理活动,并探究了细胞释放NO与电生理活动的关系(图2),结果显示NO信号通路通过降低电生理活动频率缓解心跳过速。


图2. 心肌细胞电化学和电生理信号的实时监测


小结


武汉大学黄卫华课题组通过静电纺丝技术制备了一种基于PEDOT纳米网的超柔软自支撑传感器。该传感器具有优异导电性、电化学性能和细胞生物相容性,培养在传感器表面的心肌细胞表现出自主有节奏的收缩和舒张特性,其固有运动可以驱动下层电极的同步机械变形,并实现了心肌细胞生物信号分子释放和电生理活动的实时监测。鉴于静电纺丝技术的高可控性,该团队发展的研究策略将为获取动态柔软细胞和组织的化学和物理信息提供一种更有效的途径。


封面图源自于图虫创意


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