赵远锦:具有心跳的闪蝶鳞翅

yuandan963

大蓝闪蝶是一种大型热带蝶类，因其具有闪亮的结构色而受到广泛关注。这种绚丽的金属蓝色来源于闪蝶翅膀的鳞片上平行排列的纳米脊状多层分级结构，这种结构能够在其光子带隙中操纵光子的传播，使闪蝶鳞翅表现出明亮的结构色。许多基于闪蝶鳞翅结构的复制仿生元件已在光子器件、功能传感、自清洁表面等领域已经有所应用，但由于现有纳米加工能力和材料的局限性，闪蝶鳞翅的生物医学价值仍未得到探索。

近日，东南大学生物医学工程学院赵远锦教授领导的研究小组提出了一种基于大蓝闪蝶鳞翅的心脏芯片构建方法（如图1）。该方法利用大蓝闪蝶鳞翅的脊状分级结构的取向诱导性以及鳞翅主要成分几丁质的生物相容性，使组装其上的心肌细胞定向生长并恢复自主跳动。心肌细胞在周期性跳动过程中的收缩和舒张带动鳞翅经历同步的弯曲形变，导致鳞翅结构色和光子禁带产生相应变化，从而达到心肌力学性能自报告的目的。

图1 基于大蓝闪蝶鳞翅构建心脏芯片示意图

利用等离子体接枝技术，使大蓝闪蝶鳞翅表面由超疏水变为亲水，以适应细胞培养的需求；通过碳纳米管在脊状结构间隙之间的定向填充，增加鳞翅基底的电传导效率，提升心肌细胞的搏动一致性；通过在鳞翅表面覆盖生物相容性水凝胶薄层，进一步提高鳞翅基底的生物相容性。

由于大蓝闪蝶鳞翅基底经过处理具有较好的柔性，心肌细胞在自主收缩时带动鳞翅基底产生周期性弯曲。利用鳞翅结构色的角度依赖性，在固定观察位置记录不同弯曲角度下鳞翅的结构色光谱位置，可以直观的反映心肌细胞的跳动频率和产生收缩力的大小。

基于这种直观的颜色或光谱变化，大蓝闪蝶鳞翅基底可以用作心脏药物的评估和筛选。通过鳞翅基底的结构色光谱波峰移动的频率和差值，可以即时得到药物对心肌细胞的作用。值得一提的是，由于大蓝闪蝶鳞片和心肌细胞尺寸相似，基于鳞翅基底的单细胞水平的力学研究也可以通过简单的光学传感实现。

该研究的最大意义在于，基于天然的大蓝闪蝶鳞翅，通过简单的表面处理方法，即可得到具有心肌力学自报告性能的传感基底，通过直观的颜色或光谱变化即可评估心肌细胞状态，在生物学研究和药物开发方面具有巨大的潜力。

参考文献：

Chen, Z. Y.; Fu, F. F.; Yu, Y. R.; Wang, H.; Shang, Y. X.; Zhao, Y. J., Cardiomyocytes Actuated Morpho Butterfly Wings. Advanced Materials 2018, DOI: 10.1002/adma.201805431.