微生理系統 （microphysiological systems） 又叫組織芯片 （tissue-on-chip） 或器官芯片 （organ-on-chip）， 是通過在芯片上構建動物或人體的部分組織或器官的生理微系統，在體外模擬組織或器官的結構和功能。微生理系統在基礎生物醫學研究和藥物開發的體外建模上有重要應用。

現有的微生理系統或器官芯片大多數是基于二維平面結構，在模擬真實三維組織方面有局限，特別是針對成熟的、結構較厚的三維形態的組織。骨骼肌就是一個例子。作為占人體體重約40%的組織，骨骼肌通過收縮產生運動，負責支配人的基本活動。針對檢測骨骼肌生理活動的微生理系統可用來研究肌肉萎縮癥等疾病病理，以及開發相應藥物進行針對性的治療。

近日，美國西北大學John A. Rogers課題組、黃永剛課題組與伊利諾伊大學香檳分校Rashid Bashir教授課題組在美國國家科學院院刊 （PNAS） 發表了題為“Compliant 3D frameworks instrumented with strain sensors for characterization of millimeter-scale engineered muscle tissues”的研究論文。

原西北大學John A. Rogers組博士后、現南加州大學助理教授趙航波，Rashid Bashir組博士生Yongdeok Kim， 黃永剛組博士后王禾翎和賓州州立大學助理教授寧鑫為論文的共同第一作者。美國西北大學John A. Rogers院士和黃永剛院士以及伊利諾伊大學Rashid Bashir教授為本文的共同通訊作者。

該成果通過微加工和屈曲（buckling）實現集成有應力傳感器的毫米尺度的三維柔性結構，能實現精確可控的三維形狀，與三維的小鼠組織工程骨骼肌形成緊密結合。小鼠骨骼肌的微小收縮能通過三維柔性結構上的應力傳感器檢測到，從而實現對組織工程肌收縮的連續和高精度檢測。

相對現有的基于光學顯微鏡的測量技術，這種三維柔性傳感器能實現對組織工程肌收縮高精度、高通量、更便捷的片上測量。在此三維柔性微生理傳感器上，還進行了小鼠組織工程肌活動的長期監測，以及測試對不同藥物的反應。這種集成有傳感器或其他功能器件的柔性三維系統對于開發微生理系統或器官芯片提供了新的方法。

結構與工作原理

圖1展示了三維柔性微生理系統的結構與工作原理。首先用微加工制備包括了應力傳感器的多層平面結構，然后利用在可拉伸基底上的屈曲實現從平面圖形到三維結構的轉變。圖2動態展示了屈曲變形的過程。位于三維結構彎曲處的應力傳感器在受力變形時應力傳感器能將變形轉化成電信號進行測量。受力、變形與應力傳感器電信號之間的相互關系通過有限元模擬以及實驗進行了驗證。

圖1： 三維柔性微生理系統的結構與工作原理。

圖2：從二維圖形通過屈曲變形為三維微結構的動態示意圖。

這種三維柔性微生理系統被應用于小鼠組織工程肌來監測骨骼肌的收縮活動。小鼠組織工程肌由肌母細胞在環形的模具中分化而成組織環。在此過程中，通過光遺傳方法使得組織環對藍光敏感，便于通過光照來控制肌肉環的收縮。肌肉環能被套在三維柔性結構上，形成緊密穩定的機械結合（圖3）。

圖3： 三維柔性微生理系統與環形的小鼠骨骼肌組織集成過程。

傳感性能

三維柔性微生理系統能通過內嵌的應力傳感器精確測量肌肉環的收縮位移和收縮力。目前常用的測量組織工程肌收縮的方法是通過顯微鏡測量位移再轉化為收縮力。這種方法受限于顯微鏡分辨率以及幀數，很難對組織的收縮活動精確測量。而三維柔性微生理系統能實現超高采樣頻率及微小力的測量 （圖4）。

圖4： 三維柔性微生理系統測量的不同光刺激強度和頻率下小鼠骨骼肌組織環的收縮力。

長期監測與藥物反應研究

由于器件穩定性以及生物兼容性，這種三維柔性微生理系統能實現對組織工程肌的收縮活動進行長期連續監測。圖5A顯示了組織收縮行為在數周時間內先增強后衰退的過程。圖5B-E展示了骨骼肌組織收縮受乙酰膽堿、咖啡因和單挫林等化學試劑和藥物作用下的影響。

圖5： 三維柔性微生理系統測量小鼠骨骼肌組織環收縮力的長期變化以及對不同藥物的反應。

編輯：jq