柔性梁基微电极阵列集成定向纳米纤维支架用于心肌组织的电生理监测

为解决传统微电极阵列(MEA)与心肌组织机械性能不匹配、缺乏仿生细胞外基质(ECM)微结构的问题，研究人员开发了集成定向聚己内酯(PCL)纳米纤维支架的柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS)梁基微电极阵列(BMEA)。该器件通过悬浮三维培养环境促进人诱导多能干细胞来源心肌细胞(hiPSC-CMs)的结构与功能成熟，实现21 cm/s的传导速度提升，为药物心脏毒性筛查提供了新型工具。

　　

心脏毒性评估是新药研发的关键瓶颈，传统二维培养的微电极阵列(MEA)存在机械性能不匹配、细胞形态扁平化等问题，导致心肌细胞电生理功能成熟度不足。现有柔性MEA虽改善了基板弹性，但仍无法模拟天然心肌组织的三维微环境。针对这一挑战，西安交通大学的研究团队在《Acta Biomaterialia》发表创新成果，通过将定向纳米纤维支架与柔性梁结构结合，构建了能同步监测电信号并促进细胞成熟的新型生物电子接口。

研究采用磁控溅射铂电极、激光切割PDMS梁、静电纺丝PCL纳米纤维等关键技术，以hiPSC-CMs为研究对象。通过阻抗测试、药物刺激实验等系统验证器件性能。

设计与制备BMEA
通过复合工艺制备的PDMS梁结构（400 μm厚）集成100 μm宽铂电极，阻抗低至22±7 kΩ@1 kHz。定向电纺PCL纳米纤维（直径0.5-1 μm）形成仿ECM拓扑结构，拉伸实验表明器件在5%形变下阻抗波动<4%。

电化学性能表征
循环伏安法显示氧化还原峰对称性良好，电荷存储容量达32.5 mC/cm²
。30天浸泡实验证实阻抗稳定性（变化<6%），优于传统MEA的15%衰减率。

心肌细胞培养与功能分析
hiPSC-CMs在悬浮纳米纤维上呈现明显取向排列（取向度>80%），肌节长度增加至2.1±0.3 μm。连续10天记录显示场电位幅度提升2.3倍，传导速度达21 cm/s，较平面培养提高40%。

药物验证实验
奎尼丁处理导致场电位持续时间(FPD)延长12%，与临床数据一致；异丙肾上腺素使搏动频率增加35%，证实器件对药物反应的敏感性。

该研究创新性地将力学适配设计与仿生微结构相结合，解决了心肌细胞在MEA上成熟度不足的核心问题。柔性梁结构允许器件随心肌收缩协同变形，而定向纳米纤维提供了促成熟微环境，使hiPSC-CMs表现出更接近成体的电生理特性。这种能同步实现三维培养与动态监测的BMEA平台，为心脏毒性药物的高通量筛选提供了新范式，尤其适用于需要长期观察的个性化医疗场景。研究团队Wangzihan Zhang等提出的技术路线，为下一代器官芯片与生物电子器件的融合设计提供了重要参考。