武汉大学常春雨/湖北大学张冬卉课题组《Small》：利用纳米纤维素的有序排列实现心肌细胞的可视化监控

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纤维素纳米晶体在剪切力的作用下，形成高度有序的排列，在正交偏振片下呈现均匀的干涉色。这种干涉色源于各向异性材料在垂直和平行于取向方向产生两束偏振光的相位差。该相位差与材料厚度、折射率差（双折射率）和入射光波长相关。因此，当材料厚度和双折射率发生变化时，会产生相位差的变化，进而改变干涉色。

近期，武汉大学常春雨教授课题组与湖北大学张冬卉教授课题组合作将剪切取向的海鞘纤维素纳米晶体（TCNC）固定在水凝胶网络结构中，利用心肌细胞收缩/舒张引起水凝胶干涉色变化的特性，将其用于心肌细胞的可视化监控。该工作以“Micropatterned Hydrogels with Highly Ordered Cellulose Nanocrystals for Visually Monitoring Cardiomyocytes”为题发表在《Small》上。

将TCNC在凝胶预聚液中剪切取向，利用光掩膜紫外光引发聚合制备表面具有条纹凹槽结构的各向异性水凝胶薄膜（图1）。将心肌细胞接种水凝胶薄膜表面，诱导其定向生长。在心肌细胞收缩/舒张过程中，水凝胶悬臂发生形变，引起水凝胶干涉色同步变化，通过结合微区光谱仪监测心肌细胞的变化。此外，水凝胶的每个悬臂均可实现微型化，为体外高通量可视化检测心肌细胞收缩力提供可能。

图1. TCNC基水凝胶表面微图案制备示意图

水凝胶表面为紧密堆积、定向排列的纳米纤维，2D XRD证明TCNC在水凝胶网络结构具有高度取向结构。3D光学轮廓仪显示TCNC基水凝胶表面凹槽尺寸较为均匀，有明显高度差，凹槽凸面的宽度、凹面的宽度、凹面的深度分别为25 ± 5, 21 ± 4, and 3 ± 0.4 µm。在水凝胶表面培养心肌细胞后，随着细胞收缩，光学水凝胶弯曲TCNC排列发生改变产生光程差，干涉色由蓝色变为绿色、黄色和红色。心肌细胞收缩力越大，干涉色颜色变化范围越大。同时，使用微区光谱仪分析心肌细胞在电场及药物刺激下的实时变化，实现对心肌细胞的收缩频率的定量检测。通过这种非侵入细胞的手段，可以减少组织毒性，延长对细胞的监测时间（图2）。

图2.TCNC光学水凝胶对心肌细胞实时检测。

为提高测试效率并增加独立疾病模型的数量，设计出一种多腔室装置，通过对光掩膜尺寸改变，缩小了每片凝胶悬臂的大小，使用相同面积的光掩模，能够制作出更多的微型水凝胶悬臂，并为微型水凝胶悬臂做出了适配的高通量腔室，能同时检测更多的心肌细胞的收缩舒张情况，且利用硅胶进行隔离的腔室之间互不干扰，能同时测试不同培养条件下的心肌细胞收缩功能，为新型心脏器官芯片的研发提供了实验基础（图3）。

图3. 多腔室药物筛选装置。

本工作提出一种简单且有效的策略制备功能性水凝胶，其表面具有微图案化、内部包含有序的纳米纤维素。心肌细胞的自主搏动可以驱动水凝胶悬臂同步变形，引起水凝胶干涉色周期性变化，从而实现心肌细胞收缩力的可视化。为更高效的对心肌细胞进行评估，将上述水凝胶微型化后集成到高通量设备内，形成一个多腔室大规模的系统，能在同一视野下实时监测多组心肌的收缩力的变化，提高检测效率。本工作不仅为体外心肌细胞研究提供了新思路，也为单个心肌细胞检测和体外心脏组织工程可视化检测提供了可能。

本论文的第一作者为武汉大学化学与分子科学学院博士生王君玫，目前在赣南师范大学工作，共同第一作者为湖北大学生命科学学院研究生刘倩，通讯作者为武汉大学常春雨教授和湖北大学张冬卉教授。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202202235

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