Gel-Amin水凝胶增强三维微生理系统中心肌细胞胞外记录信号的研究

《Advanced Electronic Materials》：Gel-Amin for Improving Extracellular Recordings of Cardiomyocytes in a 3D Microphysiological System

本文介绍了一种新型离子导电水凝胶材料Gel-Amin（8% GelMA+3.5% ChoA）在三维微生理系统中的应用。该材料通过提高离子电导率（375×10?5S cm?1）显著增强心肌细胞（CMs）胞外信号记录的信噪比（SNR）和同步性，为药物心脏毒性筛查提供了低成本、高通量的体外模型平台。

材料表征与优化

研究团队对Gel-Amin水凝胶进行了系统的材料学表征。这种由8%明胶甲基丙烯酰基（GelMA）与3.5%胆碱丙烯酸酯（ChoA）复合而成的水凝胶，其压缩弹性模量与天然心肌组织高度匹配（10-15 kPa）。电化学阻抗谱（EIS）分析显示，Gel-Amin的电导率达到375×10^?5S cm^?1，接近心肌组织的生理范围（300×10^?5S cm^?1至600×10^?5S cm^?1），而传统GelMA材料的电导率仅为123×10^?5S cm^?1。这种四倍的电导率提升为电信号传导提供了理想介质环境。

细胞相容性验证

通过活/死细胞染色实验评估材料的生物相容性。培养五天后，Gel-Amin组心肌细胞存活率达90.1%（±6.94%），第七天仍保持85.7%（±4.95%）的高存活率，显著优于GelMA对照组的75.3%（±13.0%）和78.4%（±14.3%）。显微观察显示细胞在三维支架中分布均匀，伪足伸展良好，证实ChoA的引入不会引起细胞毒性反应。

微流控芯片创新设计

研究采用激光切割逐层组装技术构建三维微生理系统。芯片核心创新在于GelPin屏障设计——厚度仅0.003英寸的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）隔层，通过毛细管压力效应实现GelMA与Gel-Amin两种水凝胶的共培养界面控制。该设计使心肌细胞能够在不同电导率区域间形成连贯网络，同时确保细胞悬液精确定位在微电极阵列（MEA）的电极网格正上方。

电生理性能突破

通过多通道微电极阵列系统记录发现，Gel-Amin组心肌细胞信号信噪比（SNR）达到16.0，较GelMA对照组（4.6）提升近三倍。SPIKY软件分析的同步性参数显示，Gel-Amin培养的心肌细胞同步性值（0.14）显著低于对照组（0.27），证明其收缩协调性更接近生理状态。电压时序图进一步显示，Gel-Amin组动作电位（APs）传播具有高度时空一致性。

机制探讨与应用前景

研究表明，ChoA通过提高材料离子电导率而非电子传导的方式增强信号传输，避免了传统导电填料（如石墨烯、PEDOT:PSS）导致的透明度下降问题。这种生物离子液体（Bio-IL）策略在保持光学透明度的同时，有效促进了三维培养中心肌细胞的电耦合作用。该平台为构建仿生心脏传导模型、模拟心律失常病理状态提供了新技术路径，在药物心脏安全性评价领域具有重要应用价值。

技术局限与未来方向

当前研究仍存在若干局限性：未验证水凝胶长期培养下的稳定性，所用新生大鼠心肌细胞与人类生理存在差异。后续研究将聚焦人诱导多能干细胞分化心肌细胞（hiPSC-CMs）的应用，并开展心脏活性化合物（如肾上腺素、异丙肾上腺素）的药效学验证，进一步推动该技术向临床前药物筛选场景的转化。