众所周知，对于将富氧血液从心脏泵送到其他器官和组织来说，心肌细胞的收缩力至关重要。而心肌收缩异常，则可导致心力衰竭、心房颤动和其他心血管疾病。为此，测量心肌细胞收缩力及其变化，并对这种能力进行定量培养，对于探索心脏病机制和量化药学疗效极为重要。基于此，齐鲁工业大学机械与汽车工程学院教授王力课题组的一项新研究，对上述问题进行了探索。自动化流水线的相关知识也可以到网站具体了解一下，有专业的客服人员为您全面解读，相信会有一个好的合作！


此前，已有研究人员在测量心肌细胞的收缩性方面，做出了大量努力。比如，把微柱阵列、柔性膜的光学跟踪、牵引力显微镜、原子力显微镜的微悬臂梁和细胞鼓薄膜，用于测量单个心肌细胞、或单层心肌细胞的收缩性。但是，这些技术要么不适合连续监测，要么需要复杂且耗时的聚焦对准。另据悉，压阻传感器可通过连续监测受控培养箱环境内的电阻变化，来测量心肌细胞的收缩性。通过在聚合物基质中分散导电填料，比如炭黑纳米颗粒和碳纳米管，即可现上述功能。与压阻式传感器相比，裂纹传感器的灵敏度提高出个数量级。原因在于，该传感器的研发受到了蜘蛛裂纹形狭缝器官结构的启发。为了测量心肌细胞的收缩性，学界将金属裂纹传感器封装在橡胶悬臂中。在心肌细胞收缩过程中，裂纹在金属层的连接处，经历了可逆的断开和重新连接的过程，这会让裂纹传感器的电阻速变化。然而，在测量心肌细胞的数百万个周期性收缩运动周期期间，微裂纹容易因为疲劳而失效。基于此，王力团队利用脆韧双层导电性的协同效应，制作出一款ACNT-PDMS裂纹传感器。


这里的A指的是银元素；CNT指的是碳纳米管（）；PDMS指的是聚二甲基硅氧烷（）。其中，心肌细胞的收缩运动，会导致银层出现弯曲裂纹，而银岛则由掺杂在聚二甲基硅氧烷中的碳纳米管桥接。这种结构可以有效抵抗裂纹扩展，能显著提高裂纹传感器的稳定性。与CNT-PDMS的稳定导电络相比，银裂纹的断开和重新连接，能使导电络速变化，从而带来较高的灵敏度，灵敏度因子为1082417。图|相关论文（来源：ACSN）审稿人1表示，这是一项既重要又及时的工作。作者提出了一种裂纹传感器，该传感器利用脆性-韧性双层的ACNT-PDMS，来提高心肌细胞收缩性测量的灵敏度和稳定性。裂纹传感器的应变小于1%，稳定周期超过200万次，工作应变范围为001%~44%，并具备高信噪比。审稿人2表示，探索柔性应变传感器，并将其用于微弱心肌力的场景是非常有趣的。为了提高应变传感器在测量心肌收缩力时的稳定性，该论文报道了一种高稳定性裂纹传感器，其通过在CNT-PDMS层上沉积105厚的带有微裂纹的银铬制备而来。在连续14天的先天性肌力综合征监测和药物治疗试验中，应变传感器能有效记录先天性肌力综合征的收缩性引起的动态变化。审稿人3认为，该工作系统地证明了裂纹传感器在研究心肌细胞收缩力、甚至是动态变化方面的巨大潜力。研究人员通过精心的设计，让碳纳米管的组成和银薄膜的厚度得以化，借此获得了极高的测量系数、较宽的应变范围、以及较高的循环稳定性。因此，可用于重复检测心肌细胞收缩引起的小应变的变化。应变，是物体在外部压力、或拉力作用下发生变形的现象。当外力去除后，物体又能完全恢复其原来尺寸和形状，故被称之为弹性应变。具备弹性应变特性的物体，则被称之为弹性元件。


应变式传感器可用于测量应变应力、位移等物理量，因此在航空航天飞机、工业机器人、汽车运输、房屋基础修建等领域可发挥作用。比如，用于检测飞机叶片的振动、机器人手臂的弯折程度、汽车运输货物时载重测量、墙体的变形等方面。就研究步骤来说，由于心肌收缩力十分微弱，相应的设计应变传感器也比较复杂。研究伊始，课题组撰写了用于心肌收缩检测系统的应变传感器的开题论证报告，借此明确传感器测试内容和际应用。接下来，他们又搭建了相关验平台。事上在验初期，该团队发现心肌细胞的的收缩力十分微弱，在显微镜下仅能观察到肌肉薄膜5以内的变形，这种微弱变形法让传统应变传感器产生信号。为此，他们尝试使用多种灵敏度高的传感材料，来制作应变传感器。常常是晚上制作传感器，白天验证传感器的性能，由于制作时间较长，经常凌晨1点才能完成制作，早上八点继续把验平台搭建好。验中，课题组通过鼓气来模拟心肌细胞的变形，从10开始递增检测传感器的性能。详细来说，他们先是制作出来柔性较好的碳纳米管-聚二甲基硅氧烷传感器，通过化碳纳米管的浓度，选出灵敏度比较高的一组，来用于检测心肌细胞的收缩力。但是，一开始制作的传感器其灵敏度较低，信号中仅有微弱的波动，只能检测较大的模拟信号，依然法检测到心肌细胞收缩力较小时期的信号。为了制作具有高灵敏的传感器，该团队通过翻阅文献，发现裂纹传感器的灵敏度往往比较高，于是他们在聚二甲基硅氧烷薄膜上制作了银金属裂纹传感器。对银金属薄膜传感器进行收缩力测量之后，课题组发现裂纹传感器具有较高的灵敏度。然而，这时的传感器依旧存在一个严重问题：银金属薄膜传感器在经过多次的变性之后，银金属薄膜会不断产生新的裂纹。这会导致传感器出现通路变化，论怎么调节银层的厚度，都法保持银裂纹传感器的稳定性，进而会导致传感器法正常使用。于是，他们尝试聚二甲基硅氧烷的封装工艺，结果发现虽然稳定性有所提高，但是依然法满足连续两周的收缩力测试。直到课题组尝试在银裂纹表面，增加一层导电络稳定的碳纳米管-聚二甲基硅氧烷材料，结果出乎意料，在保证灵敏度高的同时还大大增加了稳定性。随后，他们不断对传感器进行化，终于得到想要的高性能的ACNT-PDMS裂纹传感器。比较后，该团队将所制备的应变传感器，进行际的应用，比如检测心肌细胞的收缩力，并做以药物测试，所得的结果符合预期。这款应变传感器是一种运用电阻薄膜，将应变转换为电阻变化的传感器，其通过在弹性元件上、粘贴电阻应变敏感元件而构成。当要被测量的物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形会引起敏感元件的阻值变化，并通过转换电路将其转变成电量输出。因此，电量变化的高低，反映着被测物理量的高低。对于后续研究计划，王力有着如下打算。近年来，具有高度机械顺应性的柔性应变传感器，因其能提供大量的心肌细胞机械变形，而受到广泛关注。特别是在药物检测上，具有速响应和良好灵敏度的柔性应变传感器，已成为支撑机械活动的有力技术。另外，时的变形心肌细胞和组织，会产生规律的电信号。所以，采集心肌细胞产生的电信号，也是表征心肌细胞或组织的重要手段。需要注意的是，几乎所有电极都配备衬底来支撑导电材料，衬底的存在通常会使整个电极的弹性模量提高到数百兆帕斯卡、甚至G帕斯卡，这远远超过大多数体内软组织的弹性模量。因此，电子传感器和生物系统之间严重的机械不匹配，可能会限制细胞或组织的固有运动，这也解释了为何现有可伸缩传感器，必须通过施加外力来诱导生物系统的被动变形。因此，在自主运动细胞的机械信号和电生理活动监测方面，学界迫切需要取得新突破。而这也是王力接下来的研究计划，后续他打算设计一种能同时测量动态运动细胞的收缩活动、以及电生理信号的柔性传感器。