综述：芯片心脏系统中的光子晶体比色传感

本文聚焦芯片心脏系统中光子晶体比色传感技术。介绍了从天然结构色到人工光子晶体材料的制备及比色传感原理，阐述其在心脏芯片系统中的应用，探讨现存挑战与未来方向，对该领域研究有重要参考价值。

　　

引言

器官芯片（Organs-on-chips）作为传统体外模型的替代方案，借助微流控技术提供的可控微环境，能够很好地重现人体器官的关键结构和功能特征。其中，芯片心脏（heart-on-a-chip）作为器官芯片的重要分支，有望构建仿生心脏细胞 / 组织，用于生理研究、药物筛选、疾病建模和治疗开发。为实现对培养的心肌细胞或心脏组织的实时监测，研究人员开发了多种生物传感策略，光子晶体比色传感器不仅能作为生物相容性支架支持心肌细胞生长，还能通过视觉颜色变化监测其跳动行为，且无需昂贵设备。本文将围绕集成光子晶体比色传感器的芯片心脏系统展开综述。

天然结构色材料

大自然堪称世界上最出色的色彩大师，它巧妙地操控光的反射，创造出五彩斑斓、令人惊叹的景象。经过数十亿年的进化，自然界中的生物已熟练掌握在不同场景（如伪装、交流和狩猎）中灵活利用色彩的能力，以此来谋求生存。这些现象激发了研究人员深入剖析色彩产生机制，并探索其潜在应用的浓厚兴趣。

人工光子晶体材料

随着加工技术和材料科学领域的发展，明胶、海藻酸盐、纤维素等各种天然材料，以及聚二甲基硅氧烷和聚偏二氟乙烯等合成材料，都被用于制造人工光子晶体，以模仿自然界中的光子结构。诸如纳米压印光刻等加工技术，赋予光子晶体精细的微 / 纳米结构，使其能够呈现出鲜艳的结构色。

光子晶体比色传感原理

结构色源于光与周期性纳米结构材料之间的相互作用。据此，三维光子晶体传感器的特征反射波长峰值（λ）可以用布拉格方程估算：λ=2d(n2?cos2θ)21。在这个方程中，d、n 和 θ 分别代表晶格平面间距、光子晶体传感器的平均折射率和掠射角。由此可以推断，λ 受晶格间距（d）等因素影响。

比色传感在芯片心脏系统中的应用

心脏是血液循环的主要驱动力，其功能障碍可能会严重威胁人类健康。在众多体外模型中，芯片心脏被视为研究心脏疾病和开发治疗方法的有前景的平台。目前已开发出多种传感策略，如牵引力显微镜、电阻抗传感器和微电极阵列等，用于评估不同刺激下心脏细胞 / 组织的状态。

结论与展望

受自然界生物的启发，大量具有可调结构色的光子晶体材料被开发出来用作比色传感器。本文重点介绍了光子晶体比色传感器在芯片心脏系统中从传感原理到生物医学应用的最新进展。尽管已取得一定进展，但要进一步在芯片心脏系统中应用，仍有一些问题需要解决。未来，该领域有望在解决现有挑战的基础上，实现更广泛的应用和突破，为心脏疾病研究、药物研发等提供更有力的支持。