叶方富、赵远锦等基于纳米压印的各向异性结构色薄膜在心肌力学展示中的应用

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细胞力学涉及调节细胞的机械传导、迁移、胞质分裂和免疫等基本生物学功能。近期的研究表明，异常的细胞力学与疾病的病变状态或细胞功能的丧失有很强的相关性。因此，细胞力学测定被视为一种有价值的方法来评估疾病状态并提供可行的治疗方案。
　　近日，我院叶方富研究员与赵远锦教授团队利用纳米压印技术研发了一种用于心肌细胞力学展示的各向异性结构色石墨烯薄膜。该薄膜下侧呈现微槽结构，促进心肌细胞定向生长；薄膜的上侧是无缺陷的二维光子晶体结构，赋予了其生动的结构色，可响应心肌细胞的收缩功能并直接反馈为结构色的变化。此外，良好的导电性、机械柔韧性、生物相容性以及色彩对比度使该薄膜成为动态心肌细胞展示的绝佳平台。在此基础上，通过将这种各向异性结构色薄膜与微流控芯片相结合，研究团队构建了一种新型心脏芯片，用于实时细胞监测和药物测试。根据特征反射峰位移的测量，实现了不同药物浓度的细胞收缩力的定量分析。

　　图1.各向异性结构色石墨烯薄膜的结构。(a)各向异性结构色石墨烯薄膜的制备方法示意图。(b)各向异性结构色石墨烯薄膜的扫描电镜（SEM）图像。(c)微槽结构的SEM图像。(d)放大膜表面的SEM图像。(e)二维微柱阵列模板的SEM图像。(f, g)有序六边形微孔阵列结构的SEM图像。b-g中的比例尺分别为100 μm、20 μm、1 μm、5 μm、10 μm和2 μm。

　　该研究首先利用纳米热压印技术采用“三明治”法一步制备得到各向异性结构色石墨烯薄膜。生成的薄膜具有各向异性结构：薄膜的下表面呈现均匀的微槽结构，反面呈现有序的六边形微孔阵列，该微孔阵列结构赋予了其具有二维光子晶体结构，呈现出鲜艳的结构色和特征反射峰。值得一提的是，纳米压印作为一种典型的“自上而下”的微加工方法，避免了传统胶体自组装方法制备的结构色材料的结构缺陷。另外，还原氧化石墨烯和聚多巴胺的引入赋予了薄膜良好的导电性，促进心肌细胞自主搏动功能的恢复，同时增强了结构色和底物之间的对比度，使薄膜呈现出更稳定、更鲜艳的色彩。

　　图2.各向异性结构色石墨烯薄膜的结构色和机械特性。(a)随着薄膜的弯曲，结构色发生变化。(b)薄膜外缘的动态反射波长。(c)薄膜不同位置处入射角与反射峰的关系。(d)力与薄膜弯曲角度之间的关系。(e)法向应力（黑色方块）和剪切应力（红色圆圈）。

　　此外，研究团队将该薄膜的微槽图案面用于培养新生大鼠心肌细胞，验证了其对细胞的定向诱导功能。研究结果显示，心肌细胞沿着微沟的长轴生长，显示出较小的取向角。与正常薄膜上的随机取向相比，心肌细胞在图案化薄膜上显示出卓越的定向排列特性。特别是，细胞的伪足向微槽方向伸长，促进了细胞间紧密连接的形成。此外，研究团队还分析了微槽图案化对心肌细胞搏动频率的影响。研究结果显示，接种在微槽上的心肌细胞在2天内恢复自主搏动，并在第3天达到最强搏动。随后，心肌细胞的搏动频率从第3天到第9天逐渐降低到62%。相比之下，在无微槽膜上培养的心肌细胞在相同培养期间的搏动频率降低了70%。由此可见，由心肌细胞驱动的薄膜结构色变化能够为细胞力学从微观到宏观的转化提供一种新的可视化的方式。

　　图3.微槽结构对心肌细胞排列的影响。(a)接种在具有不同高度和宽度的凹面和凸面的微槽图案薄膜表面上的心肌细胞的CLSM图像。(b)接种在不同图案薄膜上的心肌细胞的细胞核取向角的统计分布。(c)在不同天培养后接种在不同图案薄膜上的心肌细胞的跳动频率。比例尺为20 μm。

　　该研究提供了一种基于纳米压印的各向异性结构色薄膜用于心肌细胞力学的展示，将微观的力学转化为宏观的结构色变化，为细胞的机械传感开辟一个可视化的平台，具有巨大的应用潜力。
　　相关研究成果以《Nano-imprinted anisotropic structural color graphene films for cardiomyocytes dynamic displaying》为题，发表在Materials Today杂志上【Materials Today (2021), https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.09.016】 IF= 31.041。该工作得到了科技部重点研发计划（2020YFA0908200）、国家自然科学基金委（61927805, 32101159 和 12090054）、中国科学院战略重点研究计划（XDB33030300）等项目的支持。
　　论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.09.016


        文章来源：温州研究院
        叶方富，1978年生，1999年获北京大学天文学及经济学双学士学位，2007年获美国宾夕法尼亚大学物理学博士学位，之后相继在美国肯特州立大学、伊利诺伊大学、佐治亚理工学院从事博士后研究，2013年加入中国科学院物理研究所。现为物理所软物质与生物物理实验室副主任、研究员、博士生导师；2019年5月至今，兼任中国科学院大学温州研究院副院长。其研究涉及软凝聚态物理、生物物理及生物医学工程等领域，目前的研究课题有：1. 胞外微环境对神经细胞、肿瘤细胞、干细胞等的行为调控；2. 细胞膜与蛋白的相互作用研究；3. 功能生物材料设计；4. 医学成像及检测技术研发；5. 复杂网络的结构与相变；6. 自旋转粒子体系的集合行为研究。