实时监测器官动态！新型水凝胶应变传感器为疾病研究开辟新天地

人体许多器官（如肺、皮肤、心脏和胃）处于动态运动状态，例如肺在呼吸过程中持续受到机械拉伸。这种机械运动通过机械转导过程影响细胞功能，在生理和病理过程中起着重要作用。然而，传统的器官芯片技术由于缺乏灵敏度，难以在水性细胞培养系统中实时监测细胞行为和生理变化。

近期，浙江大学的孟勤教授团队在《Small》期刊上发表了一篇题为“Hydrogel Strain Sensors for Integrating Into Dynamic Organ-on-a-Chip”的研究论文，介绍了一种新型高灵敏度水凝胶应变传感器，并成功将其集成到动态器官芯片（Organ-on-a-Chip,OOC）中，为实时监测生理和病理过程提供了新的技术手段。

研究内容

图 1 水凝胶传感器的制造示意图

如图1为此次研发的新型水凝胶应变传感器，从其结构示意图中可以看到，该传感器以二丙烯酸化普朗尼克F127（F127-DA）和壳聚糖（CS）制备的预拉伸抗溶胀水凝胶为基底，在底部涂覆MXene传感层，顶部修饰胶原蛋白。这样的设计使得传感器既具备良好的生物相容性，又能在复杂的细胞培养环境中稳定工作。同时，通过实验数据得知，添加0.25wt.%的CS可显著提升水凝胶的力学性能，使其具有低滞后性（1.46%）和出色的抗溶胀性（在PBS中浸泡21天溶胀率仅3.89%）。这个新型水凝胶应变传感器不仅解决了类似基于PDMS硅胶凝胶的传统的应变传感器由于其刚性无法精准反映体内真实情况的问题，还解决了水凝胶应变传感器在水性细胞培养系统中灵敏度不足的问题。

图 2 MXene-CF-0.25水凝胶传感器的制造和结构特性

图2展示了MXene-CF-0.25水凝胶传感器的制造过程和结构特征。通过LiF-HCl方法制备的MXene纳米片，均匀地涂覆在预拉伸的水凝胶表面，形成独特的皱纹结构。这种结构不仅增强了传感器的导电性，还对其传感性能产生重要影响。实验表明，该传感器灵敏度极高（应变系数达290.96），传感范围宽（0-100%），在众多已报道的水凝胶应变传感器中表现卓越。

图 3 MXene-CF-0.25水凝胶传感器的传感性能和结构演变

图3通过多个子图全面展示了MXene-CF-0.25水凝胶应变传感器的卓越性能和结构演变机制。该传感器不仅具有高灵敏度（最高GF值达270.96）和宽工作范围（0–100%），还表现出良好的重复性和频率适应性。这些特性使其成为动态器官芯片系统中实时应变监测的理想选择。此外，通过SEM图像直观地展示了传感器在不同应变状态下的结构变化，进一步验证了其工作原理和性能优势。

图 4 动态培养及LOC系统中的信号检测

研究人员将肺泡上皮细胞培养在传感器上形成肺泡屏障，然后集成到动态肺芯片（LOC）系统中，发现水凝胶传感器不仅能够支持细胞的长期培养，还能保持细胞的高活性，适用于动态器官芯片系统。

同时，从图4可以看出，在模拟生理呼吸的动态培养过程中，细胞能随着通气产生的力发生变形，并且动态培养还促进了F-actin和紧密连接蛋白ZO-1的分泌，有助于维持肺泡屏障的完整性和功能。

图 5 使用传统方法和水凝胶应变传感器检测细胞炎症

图5通过多个子图详细展示了使用传统方法和新型水凝胶应变传感器检测细胞炎症的实验结果。通过分析发现动态培养条件下的细胞对LPS刺激的炎症反应更为显著，而DPI预处理能够有效抑制这种炎症反应。并且水凝胶应变传感器能够实时监测细胞炎症反应，在动态培养条件下也表现出更高的灵敏度。此外，传感器通过检测细胞产生的H2O2浓度，验证了水凝胶应变传感器在监测细胞炎症反应中的有效性。这些结果表明，新型水凝胶应变传感器不仅能够实时监测细胞炎症反应，还能提供比传统方法更灵敏和非侵入性的检测手段，为动态器官芯片系统中的病理监测提供了新的技术手段。

这项研究成果意义重大，为精确模拟肺部生理或病理状况提供了新平台，并且有望推广到其他动态器官芯片系统，用于药物筛选和毒理学研究，推动生物医学领域的进一步发展。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202407704