齐鲁工大团队研发裂纹传感器，可用于心脏疾病类药物筛选

众所周知，对于将富氧血液从心脏泵送到其他器官和组织来说，心肌细胞的收缩力至关重要。

而心肌收缩异常，则可导致心力衰竭、心房颤动和其他心血管疾病。

为此，测量心肌细胞收缩力及其变化，并对这种能力进行定量培养，对于探索心脏病机制和量化药学疗效极为重要。

基于此，齐鲁工业大学机械与汽车工程学院教授王力课题组的一项新研究，对上述问题进行了探索。

此前，已有研究人员在测量心肌细胞的收缩性方面，做出了大量努力。

比如，把微柱阵列、柔性膜的光学跟踪、牵引力显微镜、原子力显微镜的微悬臂梁和细胞鼓薄膜，用于测量单个心肌细胞、或单层心肌细胞的收缩性。

但是，这些技术要么不适合连续监测，要么需要复杂且耗时的聚焦对准。

另据悉，压阻传感器可通过连续监测受控培养箱环境内的电阻变化，来测量心肌细胞的收缩性。

通过在聚合物基质中分散导电填料，比如炭黑纳米颗粒和碳纳米管，即可实现上述功能。

与压阻式传感器相比，裂纹传感器的灵敏度提高出三个数量级。原因在于，该传感器的研发受到了蜘蛛裂纹形狭缝器官结构的启发。

为了测量心肌细胞的收缩性，学界将金属裂纹传感器封装在橡胶悬臂中。

在心肌细胞收缩过程中，裂纹在金属层的连接处，经历了可逆的断开和重新连接的过程，这会让裂纹传感器的电阻快速变化。

然而，在测量心肌细胞的数百万个周期性收缩运动周期期间，微裂纹容易因为疲劳而失效。

基于此，王力团队利用脆韧双层导电性的协同效应，制作出一款 Ag/CNT-PDMS 裂纹传感器。

这里的 Ag 指的是银元素；CNT 指的是碳纳米管（carbon nanotubes）；PDMS 指的是聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane）。

其中，心肌细胞的收缩运动，会导致银层出现弯曲裂纹，而银岛则由掺杂在聚二甲基硅氧烷中的碳纳米管桥接。

这种结构可以有效抵抗裂纹扩展，能显著提高裂纹传感器的稳定性。

与 CNT-PDMS 的稳定导电网络相比，银裂纹的断开和重新连接，能使导电网络快速变化，从而带来较高的灵敏度，灵敏度因子为 108241.7。

近日，相关论文以《心肌细胞收缩力的高灵敏度和稳定性裂纹传感》（Crack Sensing of Cardiomyocyte Contractility with High Sensitivity and Stability）为题，发表在 ACS Nano 上[1]，王力担任一作兼通讯。

图 | 相关论文（来源：ACS Nano）

审稿人 1 表示，这是一项既重要又及时的工作。作者提出了一种裂纹传感器，该传感器利用脆性-韧性双层的 Ag/CNT-PDMS，来提高心肌细胞收缩性测量的灵敏度和稳定性。

裂纹传感器的应变小于 1%，稳定周期超过 200 万次，工作应变范围为 0.01% ~ 44%，并具备高信噪比。

审稿人 2 表示，探索柔性应变传感器，并将其用于微弱心肌力的场景是非常有趣的。

为了提高应变传感器在测量心肌收缩力时的稳定性，该论文报道了一种高稳定性裂纹传感器，其通过在 CNT-PDMS 层上沉积 105nm 厚的带有微裂纹的银/铬制备而来。

在连续 14 天的先天性肌无力综合征监测和药物治疗试验中，应变传感器能有效记录先天性肌无力综合征的收缩性引起的动态变化。

审稿人 3 认为，该工作系统地证明了裂纹传感器在研究心肌细胞收缩力、甚至是动态变化方面的巨大潜力。

研究人员通过精心的设计，让碳纳米管的组成和银薄膜的厚度得以优化，借此获得了极高的测量系数、较宽的应变范围、以及较高的循环稳定性。因此，可用于重复检测心肌细胞收缩引起的小应变的变化。

应变，是物体在外部压力、或拉力作用下发生变形的现象。当外力去除后，物体又能完全恢复其原来尺寸和形状，故被称之为弹性应变。具备弹性应变特性的物体，则被称之为弹性元件。

应变式传感器可用于测量应变应力、位移等物理量，因此在航空航天飞机、工业机器人、汽车运输、房屋基础修建等领域可发挥作用。

比如，用于检测飞机叶片的振动、机器人手臂的弯折程度、汽车运输货物时载重测量、墙体的变形等方面。

就研究步骤来说，由于心肌收缩力十分微弱，相应的设计应变传感器也比较复杂。

研究伊始，课题组撰写了用于心肌收缩检测系统的应变传感器的开题论证报告，借此明确传感器测试内容和实际应用。接下来，他们又搭建了相关实验平台。

事实上在实验初期，该团队发现心肌细胞的的收缩力十分微弱，在显微镜下仅能观察到肌肉薄膜 5μm 以内的变形，这种微弱变形无法让传统应变传感器产生信号。

为此，他们尝试使用多种灵敏度高的传感材料，来制作应变传感器。常常是晚上制作传感器，白天验证传感器的性能，由于制作时间较长，经常凌晨 1 点才能完成制作，早上八点继续把实验平台搭建好。

实验中，课题组通过鼓气来模拟心肌细胞的变形，从 10pa 开始递增检测传感器的性能。

详细来说，他们先是制作出来柔性较好的碳纳米管-聚二甲基硅氧烷传感器，通过优化碳纳米管的浓度，选出灵敏度最高的一组，来用于检测心肌细胞的收缩力。

但是，一开始制作的传感器其灵敏度较低，信号中仅有微弱的波动，只能检测较大的模拟信号，依然无法检测到心肌细胞收缩力较小时期的信号。

为了制作具有高灵敏的传感器，该团队通过翻阅文献，发现裂纹传感器的灵敏度往往比较高，于是他们在聚二甲基硅氧烷薄膜上制作了银金属裂纹传感器。

对银金属薄膜传感器进行收缩力测量之后，课题组发现裂纹传感器具有较高的灵敏度。

然而，这时的传感器依旧存在一个严重问题：银金属薄膜传感器在经过多次的变性之后，银金属薄膜会不断产生新的裂纹。

这会导致传感器出现通路变化，无论怎么调节银层的厚度，都无法保持银裂纹传感器的稳定性，进而会导致传感器无法正常使用。

于是，他们尝试聚二甲基硅氧烷的封装工艺，结果发现虽然稳定性有所提高，但是依然无法满足连续两周的收缩力测试。

直到课题组尝试在银裂纹表面，增加一层导电网络稳定的碳纳米管-聚二甲基硅氧烷材料，结果出乎意料，在保证灵敏度高的同时还大大增加了稳定性。

随后，他们不断对传感器进行优化，终于得到想要的高性能的 Ag/CNT-PDMS 裂纹传感器。

最后，该团队将所制备的应变传感器，进行实际的应用，比如检测心肌细胞的收缩力，并做以药物测试，所得的结果符合预期。

这款应变传感器是一种运用电阻薄膜，将应变转换为电阻变化的传感器，其通过在弹性元件上、粘贴电阻应变敏感元件而构成。

当要被测量的物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形会引起敏感元件的阻值变化，并通过转换电路将其转变成电量输出。因此，电量变化的高低，反映着被测物理量的高低。

对于后续研究计划，王力有着如下打算。近年来，具有高度机械顺应性的柔性应变传感器，因其能提供大量的心肌细胞机械变形，而受到广泛关注。

特别是在药物检测上，具有快速响应和良好灵敏度的柔性应变传感器，已成为支撑机械活动的有力技术。

另外，实时的变形心肌细胞和组织，会产生规律的电信号。所以，采集心肌细胞产生的电信号，也是表征心肌细胞或组织的重要手段。

需要注意的是，几乎所有电极都配备衬底来支撑导电材料，衬底的存在通常会使整个电极的弹性模量提高到数百兆帕斯卡、甚至 “G” 帕斯卡，这远远超过大多数体内软组织的弹性模量。

因此，电子传感器和生物系统之间严重的机械不匹配，可能会限制细胞或组织的固有运动，这也解释了为何现有可伸缩传感器，必须通过施加外力来诱导生物系统的被动变形。

因此，在自主运动细胞的机械信号和电生理活动监测方面，学界迫切需要取得新突破。

而这也是王力接下来的研究计划，后续他打算设计一种能同时测量动态运动细胞的收缩活动、以及电生理信号的柔性传感器。