近日，美國麻省大學高洪巖博士和所在團隊，構建出一種網格生物電子系統。
它是一種嵌入多功能石墨烯納米電子的傳感器， 由於整合了單層石墨烯晶體管，因此可以跟蹤心臟微組織的激發-收縮過程。
圖 | 高洪巖（來源：高洪巖）
在這款器材之中，石墨烯充當著晶體管的作用，即利用石墨烯的場效應和壓阻效應，可以同時檢測心臟微組織的動作電位和機械訊號。
（來源：Nature Communications）
透過此，課題組不僅將多功能傳感融合在同一個器材中，也避開了傳統策略中存在的訊號同步、器材尋址、整合異質性等挑戰。
其中的柔性網狀網絡， 能夠提供組織級的柔軟性、以及細胞級的特征尺寸，從而實作與心臟組織的密切接觸。
這讓本次器件可以同時監測心臟微組織內部的電訊號和機械訊號，而這兩種訊號也是人類心臟能否發揮功能的最重要的兩個參考訊號。
透過復雜的激發-收縮過程，這兩種訊號可以耦合在一起。所以，這款器件在同一位置監測到的動作電位訊號和機械收縮訊號，可以反應心臟微組織在發展過程中所處的狀態。
據了解，成熟的心臟組織能表現出更大的動作電位振幅和機械振動振幅，而這些指標都可以透過石墨烯的電導變化反應出來。
另外，課題組還采用藥物處理方法來抑制訊號，因此器件中訊號變化的過程比如振幅變化、頻率變化等，都可以直觀反應相關藥物對於心臟微組織所產生的影響。
總之，這種感知平台讓整個組織可以穩定地跟蹤復雜的激發-收縮耦合，並且能夠貫穿整個組織的發展過程。
同時，還可以全面評估心臟組織的成熟度、區分藥物效果、並能進行疾病建模。相比單模態傳感器技術，透過本次感知平台可以打造出豐富的數據集。
針對心臟組織功能、發育和病理生理狀態，有望實作更準確的定量化結果，從而為改善心臟組織工程提供重要工具。
據了解，由於本次器件能被包裹在心臟微組織內部，因此那些不會對心臟微組織產生影響的環境因素比如溫度和氧含量等，都不會影響輸出的訊號。
同時，本次成果克服了光學成像感應和單模態電子感應的限制，透過結合生物電學感應和生物力學感應，提供了針對微組織發育動力學的全面評估。
這讓本次成果能夠無縫地整合到微組織中，從而針對組織發育過程實作侵入性最小的穩定跟蹤，進而為研究組織工程提供了一種富有前景的工具。
後續，假如針對試驗條件加以最佳化，本次器件還將能用於三維心臟組織的藥物篩選。
對於心臟微組織來說，它還能提供和人類心臟更為相近的微環境，很有希望用於活體心臟組織的監測，進而提高藥物篩選的效率。
另據悉，此前網狀電子和石墨烯晶體管電子已被廣泛用於活體神經訊號的監測。而本次構建的網狀電子，正好為直觀地分析藥物對於心臟的副作用提供了工具。
（來源：Nature Communications）
而且，由於石墨烯具有較高的監測靈敏度、以及較好的化學穩定性，讓其能夠成為比矽納米線更合適的材料。
整體來看，使用石墨烯可以帶來以下優勢：
其一，石墨烯是一種二維材料，因此可以透過化學氣相沈積的方法獲得均一的薄膜，為大規模的整合、以及器件均一性提供基礎。
其二，石墨烯是一種兼具場效應和壓阻效應的材料，理論上可以同時監測電壓和應變的變化，從而將兩種功能整合在同一個器件上。
其三，石墨烯同時也是一種碳材料，具有優秀的化學穩定性，可以實作長時間的生理監測。
與此同時，也可以使用其他二維半導體材料取代石墨烯，前提是這種材料要兼具壓阻效應和場效應、以及具備生理環境穩定性和大規模合成的能力。
監測心臟微組織之路，道阻且長
如前所述，本次成果可用於心臟訊號的檢測。心臟疾病，則是人類發病和死亡的主要原因之一。由於缺乏動物模型，使得體外心臟組織成為重要的替代選擇。
其中，以人類幹細胞來源的心肌細胞構建的心臟組織，是最為常用的體外模型。它們可以保留患者的資訊，從而用於研究遺傳疾病和個人化藥物篩選。
與平面組織培養相比，三維心臟微組織是首選的組織模型，因為它們可以更好地重現細胞表型、微環境和細胞之間相互作用，呈現出接近於活體器官的實驗效果。
對於監測心臟微組織的發展狀態來說，電訊號和機械訊號是兩個最直觀的參數，能被用於藥物效果和疾病的評估。
而對於心臟微組織的電活動和機械活動來說，透過激發-收縮耦合之後，它們在本質上是相互連線的。因此，同時測量相關的動態，對於心臟微組織的研究極為重要。
例如，在慢性心肌梗死患者中，其心肌細胞的功能障礙，與受損的激發-收縮耦合呈現出相關性。同時，許多心律不整也是由於激發-收縮耦合減弱引起的。
因此，僅僅透過跟蹤電反應、或機械反應所進行的空間對映，在辨識受損的激發-收縮耦合連結上存在一定局限。
在與發育相關的研究中，對於組織成熟度或老化程度來說，它們通常更適於透過相關的激發-收縮耦合動態來表征，而不是僅僅是透過電活動或機械活動的資訊來表征。
此前，人們使用光學手段來跟蹤電活動和機械運動，進而將其用於三維微組織之中。
但是，由於組織的不透明性，只能獲取表面的生理活動。
采用整合在平面或柔性襯底上的電子傳感器，也存在相同的問題。
盡管柔性網狀電子學的發展，為在深層組織中嵌入可尋址傳感器提供了機會，尤其是柔性帶狀特征使得網狀器件的機械性質與組織接近，從而可以降低侵入性、並能延長介面的穩定性。
但是，現有平台只能探測電活動或機械活動的單一模態，這確實足以檢測神經等組織，然而並不足以表征心臟系統相關的機械反應和電反應。
據了解，由於心臟毒性副作用的存在，大約三分之一的藥物無法實作臨床套用。
此前，該團隊已經證實：透過微納加工技術構建的三維矽納米線晶體管，可以在場效應和壓阻效應的幫助之下，打造成為能同時測量平面單層心肌細胞的雙功能電子器件[1]。
然而，該系統在心臟微組織中並不具備適用性，原因在於很難采用自下而上的方式，在獨立襯底上實作三維矽納米線的組裝。
（來源：Nature Communications）
將細胞卷曲和電子器件巧妙結合
而開展心臟微組織機電監測的想法，起源於高洪巖此前開展的矽納米線晶體管課題。
在進行上一個課題的時候，他發現單層細胞經常會在基底脫落，並且會自發地卷曲，進而折疊成為三維微組織。
對於單層細胞訊號監測來說，這無疑是一個不利因素，因為器件與細胞的分離，會直接導致訊號中斷。
於是，高洪巖和導師溝通之後形成了如下思路：構建一種電子器件，讓其隨著細胞的卷曲折疊，直接嵌入到心臟組織中以便監測機械訊號和電訊號。
沿著這一思路、以及之前矽納米線課題所提供的實驗可行性，高洪巖開始著手設計器件。
作為一種較為傳統的晶體管，石墨烯已被廣泛用於監測細胞動作電位。然而，關於石墨烯針對細胞機械活動的監測，仍舊處於科研的空白地帶。
原因在於：石墨烯內部是一種單層的碳原子結構，直徑大約只有 0.3nm。因此，在器件加工時需要格外重視石墨烯在轉移過程中的破損、以及與金屬電極的接觸。
另外，由於石墨烯晶體管要被構建在另外一種厚度只有 400nm 的聚合物表面，因此加工過程也更為精細。
同時，如何實作柔性網狀器件與心臟微組織的整合，也是本次研究所面臨的一項挑戰。而且，超薄的網狀器件會給操作過程帶來很多不確定性，導致前期器件的產出率很低。
後來，透過最佳化細胞培養過程和最佳化整合方法，再把固定網狀器件在襯底上與心肌細胞融合，這時實驗效率終於得以大大提高。
（來源：Nature Communications）
最終，相關論文以【具有融合多功能性的石墨烯整合網狀電子器件，用於跟蹤心臟微組織中的多模態興奮收縮動力學】（Graphene-integrated mesh electronics with converged multifunctionality for tracking multimodal excitation-contraction dynamics in cardiac microtissues）為題發在 Nature Communications [1]。
高洪巖是第一作者，美國麻省大學姚軍教授擔任通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Nature Communications）
總的來說，本次研究證明網狀電子和三維生物組織的界面可以提供豐富的生物資訊。
另外，本次研究采用的是體外實驗，那麽體外實驗得到的結論，能否真實反應組織在活體中的行為？
對此， 該團隊表示實驗采用的是人體胚胎幹細胞所分化的心肌細胞構建的微組織，能在一定程度上反映心肌組織發展的過程。
但是，由於活體心臟有著復雜的多級結構和功能，所以距離真實地反應活體行為，仍有存在一定的距離。
因此，後續該團隊會進一步探索本次成果在解析三維生物組織生理訊號上的套用。
參考資料：
1.Gao, H. Y. et al. Bioinspired two-in-one nanotransistor sensor for the simultaneous measurements of electrical and mechanical cellular responses. Sci. Adv. 8, eabn2485 (2022).
2.Gao, H., Wang, Z., Yang, F., Wang, X., Wang, S., Zhang, Q., ... & Yao, J. (2024). Graphene-integrated mesh electronics with converged multifunctionality for tracking multimodal excitation-contraction dynamics in cardiac microtissues. Nature Communications , 15(1), 2321.
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