實驗名稱：多功能明膠復合水凝膠的制備及體外構建工程化心肌組織的研究

研究方向：生物醫(yī)學

測試目的：

制備一種基于GelMA的三維各向異性的電磁功能復合水凝膠支架（GelMA-PDA-rGO-Fe3O4），由Fe3O4納米顆粒修飾的PDA-rGO（PDA-rGO-Fe3O4）電磁雙功能納米復合物在直流磁場驅(qū)動下定向固化。2D和3D細胞培養(yǎng)的實驗結果表明，獨特的各向異性結構有利于表面心肌細胞的定向生長和搏動。由于該復合水凝膠同時具有導電性和磁性，所以進行直流磁場和交流磁場磁刺激研究。結果表明交流磁場刺激和電刺激一樣也能促進細胞骨架結構發(fā)育完整、提高心肌細胞的搏動速率和頻率，以及上調(diào)心肌特異性蛋白和成熟相關基因的表達。基于GelMA-PDA-rGO-Fe3O4構建的ECT在長時間培養(yǎng)中表現(xiàn)出類似蝴蝶飛行的搏動行為，可以作為可視化藥物篩選的生物驅(qū)動器。總的來說，多功能PDA-rGO-Fe3O4復合水凝膠將是一種優(yōu)異的支架材料，在心肌修復、藥物篩選和疾病模型等領域中有潛在的應用。

測試設備：ATA-304功率放大器、信號發(fā)生器、helmholtz線圈、載有細胞的孔板、水凝膠支架。

實驗過程：

實驗之前先進行電磁功能PDA-rGO-Fe3O4納米復合物的制備和各向異性的GelMA-PDA-rGO-Fe304電磁復合水凝膠的制備，然后進行心肌細胞的提取與2D、3D接種和培養(yǎng)。再進行心肌細胞的電刺激和磁刺激處理。

圖：靜態(tài)磁場發(fā)生裝置實物圖

1、直流磁場刺激

心肌細胞的直流磁場刺激處理是在直流磁場發(fā)生裝置中進行的，裝置示意圖如上述圖4.1所示。將載有細胞的孔板放置于均勻磁場范圍內(nèi)，當直流電流為0.87A時，產(chǎn)生的直流磁場強度為1.47mT，和理論值1.5mT基本一致。

2、交流磁場刺激

顧名思義，心肌細胞的交流磁場刺激處理是在交流磁場發(fā)生裝置中進行的，交變磁場發(fā)生裝置示意圖如圖4.2所示。與直流磁場發(fā)生裝置不同的是，交變磁場是通過信號發(fā)生器和功率放大器兩者聯(lián)合輸出放大后的正弦波電流，驅(qū)動線圈產(chǎn)生交變磁場。當施加的正弦波頻率為5Hz，電流為1A時，磁場強度為1mT左右。心肌細胞先靜態(tài)培養(yǎng)3天，再放置到均勻的交變磁場中，連續(xù)持續(xù)刺激5天。撤去磁場后再繼續(xù)靜態(tài)培養(yǎng)7天。無磁場刺激的實驗組作為陽性對照，GelMA-Fe3O4作為其中陰性對照。

圖：交變磁場發(fā)生裝置示意圖

3、施加交變磁刺激對心肌細胞的功能影響

利用GelMA-PDA-rGO-Fe3O4磁性復合水凝膠結合外部磁刺激來構建成熟的ECT，用于以后心臟貼片和藥物篩選的研究。

圖4.17：用于心肌細胞磁刺激的交變磁場刺激裝置。（A）促進心肌細胞成熟的磁刺激方案。（B）磁刺激裝置示意圖，該裝置包括helmholtz線圈、信號發(fā)生器和功率放大器。磁刺激且培養(yǎng)到15天，各組心肌細胞（C）在兩幀之間以紅色運動矢量表示的細胞收縮矢量圖和（D）相應的搏動信號記錄曲線。標尺：500μm。各組相應的（E）自發(fā)搏動頻率和（F）搏動速率統(tǒng)計評價。*p<0.05和**p<0.01。

如圖4.17A所示，將新生大鼠心肌細胞接種到水凝膠支架上，先靜態(tài)培養(yǎng)3天，然后放置于交變磁場裝置中（磁感應強度為1T，圖4.17B）持續(xù)刺激5天，在第8天時撤去磁場，再靜態(tài)培養(yǎng)一周，總計15天。圖4.17C和4.17D展示了刺激組和對照組心肌細胞培養(yǎng)第15天時的搏動行為由于各向異性GelMA-PDA-rGO-Fe3O4復合水凝膠支架易于對稱性折疊，因此其表面的心肌細胞以相同的方向同步收縮；而GeMA組和各向同性復合組上的心肌細胞由于支架材料呈現(xiàn)非對稱性折疊，因此其表面的心肌細胞以任意的方向同步跳動。此外，刺激復合組（各向異性和各向同性復合組）中的平均搏動頻率（BPM）和靜態(tài)培養(yǎng)第8天一樣，均高于GelMA刺激組。如圖4.17E所示，各組的平均BPM分別為44±2（GelMA組）、60±3（各向同性復合組）和76±4（各向異性復合組），與培養(yǎng)第8天的平均BPM值基本一致，說明磁刺激對于心肌細胞的搏動頻率影響較小。

實驗結果：

經(jīng)過磁刺激和長時間的培養(yǎng)，各組心肌細胞的搏動速率均顯著增加，達到了mm/s，因此肉眼可見生成的心肌組織自發(fā)地搏動。如圖4.17D和4.17F所示，定量的收縮速率（GelMA組、各向同性組和各向異性組分別為4.070.18mm/s9.48+0.46mm/s和12.40+0.63mm/s）和舒張速率（GelMA、各向同性組和各向異性組分別為2.36+0.11mm/s，3.27+0.16mm/s和11.970.62m/s）。因此，我們的結果表明由PDA-rGO-Fe304納米復合物引起的支架3D各向異性結構和磁場刺激的協(xié)同效應，促進了心肌細胞AP的快速傳遞和心肌細胞間地電耦合，驅(qū)動生成成熟的ECTS。

安泰ATA-304功率放大器：

圖：ATA-304功率放大器指標參數(shù)

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本文實驗案例參考自知網(wǎng)論文《多功能明膠復合水凝膠的制備及體外構建工程化心肌組織的研究》

審核編輯黃昊