麻省大学阿默斯特分校的工程师创造了能够与心脏组织一起生长的生物电子网
由马萨诸塞大学阿默斯特分校领导的工程师团队，包括麻省理工学院 (MIT) 的同事，最近在《自然通讯》杂志上宣布，他们已经成功构建了一个集成了原子薄石墨烯传感器阵列，可以同时测量实验室培养的人体心脏组织中细胞的电信号和物理运动。首先在一项研究中，这种组织状网状物可以与心肌细胞一起生长，使研究人员能够观察心脏的机械和电功能在发育过程中如何变化。这种新设备对于研究心脏病以及研究许多常见药物疗法的潜在副作用的人来说是一个福音。
心脏病是全世界人类发病和亡的主要原因。心脏对治疗药物也非常敏感，制药行业花费数百万美元进行测试以确保其产品的安全。然而，有效监测活体心脏组织的方法极其有限。
在某种程度上，这是因为在活体心脏中植入传感器非常危险，而且还因为心脏是一种复杂的肌肉，有不止一个需要监测的东西。 “心脏组织非常特殊，”麻省大学阿默斯特分校工程学院电气和计算机工程副教授、该论文的资深作者Jun Yao说。 “它具有机械活动——将血液泵入我们身体的收缩和放松——与控制该活动的电信号耦合。”
但当今的传感器通常一次只能测量一种特征，而可以测量电荷和运动的双传感器设备体积庞大，会妨碍心脏组织的功能。到目前为止，还没有任何一种传感器能够在不干扰心脏功能的情况下测量心脏的双重特性。
该新设备由两个关键组件构成，主要作者、正在攻读博士学位的高红岩解释道。麻省大学阿默斯特分校电气工程专业。第一个是三维心脏微组织(CMT)，是在麻省大学阿默斯特分校机械与工业工程副教授 Yubing Sun 的指导下，在实验室中用人类干细胞培育出来的。 CMT 已成为体外测试的首选模型，因为它是迄今为止最接近全尺寸活体心脏的模拟。然而，由于 CMT 是在试管中生长的，因此它必须成熟，这个过程需要时间，并且很容易被笨拙的传感器破坏。
第二个关键成分涉及石墨烯——一种只有一个原子厚度的纯碳物质。石墨烯的性质有一些令人惊讶的怪癖，使其非常适合心脏传感器。石墨烯具有导电性，因此它可以感应穿过心脏组织的电荷。它也是压阻式的，这意味着当它被拉伸时(例如，通过心脏的跳动)，它的电阻会增加。而且由于石墨烯极其薄，它甚至可以记录最微小的肌肉收缩或放松的颤动，并且在整个成熟过程中都不会妨碍心脏功能。合著者、麻省理工学院电气工程教授孔晶和她的团队提供了这种关键的石墨烯材料。
“虽然石墨烯已经有很多应用，但很高兴看到它可以利用石墨烯的不同特性来满足这一关键需求，”Kong 说。
高、姚和他们的同事随后将一系列石墨烯传感器嵌入到他们开发的柔软、可拉伸的多孔网状支架中，该支架具有与人体组织接近的结构和机械特性，并且可以非侵入性地应用于心脏组织。
“以前没有人这样做过，”高说。 “石墨烯可以在生物环境中存活很长时间而不降解，也不会失去其导电性，因此我们可以在整个成熟过程中监控 CMT。”
“出于多种原因，这至关重要，”姚补充道。 “我们的传感器可以向科学家和药物研究人员提供实时反馈，并且可以以经济有效的方式做到这一点。我们很自豪能够利用电气工程的见解来帮助构建对广泛的研究人员有用的工具。”
高说，未来，他希望能够使他的传感器适应更大规模，甚至体内监测，这将提供最好的数据来帮助解决心脏病。
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