基于光子晶體水凝膠纖維的心肌細(xì)胞檢測方法及其應(yīng)用技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于光子晶體水凝膠纖維的心肌細(xì)胞檢測方法及其應(yīng)用，該檢測方法包括以下步驟：1)生物相容性光子晶體纖維的制備；2)光子晶體水凝膠纖維用于心肌細(xì)胞的培養(yǎng)；3)基于光子晶體水凝膠纖維的心肌細(xì)胞的檢測；4)數(shù)據(jù)的分析。本發(fā)明專利技術(shù)所制備的光子晶體水凝膠纖維具備良好的生物相容性；光子晶體水凝膠纖維具備光子晶體的光子禁帶屬，為心肌細(xì)胞的檢測提供光學(xué)傳感基底，通過光子晶體水凝膠纖維結(jié)構(gòu)色或反射峰的變化對心肌細(xì)胞的收縮力和跳動頻率進(jìn)行檢測；該方法可應(yīng)用于心臟藥物的篩選評估，通過加入藥物后心肌細(xì)胞收縮力和跳動頻率的改變進(jìn)行篩選。本發(fā)明專利技術(shù)提供的檢測方法操作簡易、成本低廉、便于大規(guī)模生產(chǎn)。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
基于光子晶體水凝膠纖維的心肌細(xì)胞檢測方法及其應(yīng)用
本專利技術(shù)涉及一種基于光子晶體水凝膠纖維的心肌細(xì)胞檢測方法及其應(yīng)用,屬于生物醫(yī)藥材料研究

技術(shù)介紹
目前，心肌細(xì)胞的來源主要是依賴體外心肌細(xì)胞的培養(yǎng)，和體內(nèi)動物模型的構(gòu)建，而在心肌細(xì)胞功能的檢測過程中，簡單的二維細(xì)胞培養(yǎng)，由于缺乏機(jī)體的復(fù)雜性，并不能真實的模擬體內(nèi)復(fù)雜的生理過程；而動物模型的不確定性及其本身的復(fù)雜性，使得其在心肌細(xì)胞的檢測的應(yīng)用中也面臨了一定的挑戰(zhàn)，在新藥研發(fā)及其他生理過程研究中，為在細(xì)胞或器官水平上實現(xiàn)體內(nèi)器官的真實模擬，研究學(xué)者們已經(jīng)結(jié)合精密加工、仿生學(xué)和微流體等優(yōu)勢學(xué)科，研究并開發(fā)了多種用于心肌細(xì)胞的檢測技術(shù)。然而，基于目前這些技術(shù)中所構(gòu)建的大多數(shù)檢測方法中，不但需要復(fù)雜的檢測系統(tǒng)，消耗大量的時間和精力，也很難實現(xiàn)心肌細(xì)胞的單細(xì)胞檢測。在心臟及心肌細(xì)胞的研究中，心肌細(xì)胞的收縮力和跳動頻率作為其中的兩項主要的參數(shù)，是評判心臟功能和心肌細(xì)胞活性的重要指標(biāo)。因此，研究并開發(fā)具備高靈敏性檢測心肌細(xì)胞檢測平臺、制備能夠在單細(xì)胞水平實現(xiàn)傳感的材料、構(gòu)建穩(wěn)定的心肌細(xì)胞及心肌單細(xì)胞收縮力和跳動頻率的檢測技術(shù)，仍然面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
技術(shù)實現(xiàn)思路
技術(shù)問題：本專利技術(shù)的目的在于提供一種基于光子晶體水凝膠纖維的心肌細(xì)胞檢測方法及其應(yīng)用，該方法中光子晶體水凝膠纖維不但為細(xì)胞的生長提供載體、誘導(dǎo)心肌細(xì)胞定向生成，并為實現(xiàn)心肌細(xì)胞收縮力和跳動頻率的檢測提供穩(wěn)定的光學(xué)傳感信號，該檢測方法不需要復(fù)雜的檢測系統(tǒng)，具備直觀性、高效、不受外界條件影響的優(yōu)勢，材料易得、成本低廉、易于規(guī)模化生產(chǎn)，且該方法應(yīng)用于心臟藥物的篩選評估。技術(shù)方案：本專利技術(shù)提供了一種基于光子晶體水凝膠纖維的心肌細(xì)胞檢測方法，該方法包括以下步驟：1)光子晶體水凝膠纖維的制備：采用模板犧牲法，利用膠體粒子和生物相容性水凝膠前聚體，制備光子晶體水凝膠纖維；2)心肌細(xì)胞的培養(yǎng)：在步驟1)得到的光子晶體水凝膠纖維表面種植心肌細(xì)胞，借助纖維結(jié)構(gòu)進(jìn)行培養(yǎng)，使心肌細(xì)胞在光子晶體纖維表面形成單個有序排列的纖維結(jié)構(gòu)；3)心肌細(xì)胞的檢測：光子晶體水凝膠纖維上心肌細(xì)胞的收縮和舒張引起光子晶體水凝膠纖維的特征反射峰周期性變化，采集光子晶體水凝膠纖維的特征反射峰周期性變化數(shù)據(jù)；4)數(shù)據(jù)的分析：對步驟3)采集光子晶體水凝膠纖維的特征反射峰周期性變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到心肌細(xì)胞的收縮力和跳動頻率情況。其中：所述的光子晶體水凝膠纖維的具體制備步驟為：①將單分散的膠體粒子分散在乙醇或者水溶液中，得到濃度為2～20wt％的單分散的膠體粒子溶液，之后將該膠體粒子溶液注入到毛細(xì)管中，自然沉積形成光子晶體纖維模板；②將光子晶體纖維模板浸泡在生物相容性的水凝膠前聚體溶液中1～5h，經(jīng)固化后得光子晶體-水凝膠雜交體系；③去除光子晶體-水凝膠雜交體系中的膠體粒子，得到光子晶體水凝膠纖維。所述的膠體粒子為二氧化硅、四氧化三鐵、二氧化鈦、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯或聚乙烯中的一種，且其粒徑大小為100～300nm。所述的生物相容性水凝膠前聚體為膠原蛋白、明膠、甲基丙烯酸甲酯修飾的明膠、牛血清白蛋白、絲素蛋白、醋酸丁酸纖維素、海藻酸鈣、硅氧烷甲基丙烯酸酯、瓊脂糖、聚乙烯醇、甲基丙烯酸縮水甘油酯或二甲基丙烯酸乙二醇酯中的一種或多種的混合物。所述的光子晶體水凝膠纖維的直徑為30～300μm。步驟①所述的自然沉積形成光子晶體纖維模板在溫度為100～800℃條件下，高溫煅燒后獲得機(jī)械強度高的光子晶體纖維模板；步驟②所述的固化采用的方法為紫外光固化、熱固化或者溶劑揮發(fā)固化中的一種。步驟②所述的毛細(xì)管為玻璃管、聚乙烯管或者特氟龍管，其尺寸為直徑為30～300μm。步驟③中所述的去除光子晶體-水凝膠雜交體系中的膠體粒子采用的方法為化學(xué)腐蝕法、物理溶解法或者高溫煅燒法。步驟2)所述的培養(yǎng)是指在二氧化碳細(xì)胞培養(yǎng)箱中，在36～40℃、2～10wt％CO2培養(yǎng)環(huán)境中培養(yǎng)2～10天。所述的光子晶體水凝膠纖維特征反射峰的波長在300nm～1000nm之間，并通過光子晶體纖維模板中粒子的粒徑大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。所述的心肌細(xì)胞為不同種屬及誘導(dǎo)分化得到的各類心肌細(xì)胞。所述的心肌細(xì)胞的收縮力收縮力大小根據(jù)光子晶體水凝膠纖維的特征反射峰偏移量Δλ的大小來確定，在相同培養(yǎng)條件情況下，對心肌細(xì)胞施加不同的刺激，Δλ偏移量越大，表明心肌細(xì)胞的收縮力越大。所述的心肌跳動頻率的推算公式為f＝1/t，其中f為心肌跳動頻率，t為特征反射峰單次周期變化時間。所述的心肌細(xì)胞檢測是指在不同的刺激條件下，對心肌細(xì)胞收縮力和跳動頻率的檢測。本專利技術(shù)還提供了一種基于光子晶體水凝膠纖維的心肌細(xì)胞檢測方法的應(yīng)用，該方法應(yīng)用于心臟藥物的篩選評估。當(dāng)心臟藥物加入后，通過檢測生長有心肌細(xì)胞的光子晶體水凝膠纖維的特征反射峰的變化，分析心肌細(xì)胞的收縮力和跳動頻率變化，從而實現(xiàn)對藥物進(jìn)行篩選評估。所述的心肌細(xì)胞在光子晶體水凝膠纖維生長時，由于心肌細(xì)胞的收縮引起光子晶體水凝膠纖維內(nèi)部晶格的變化以及水凝膠纖維宏觀角度的變化，通過對光子晶體水凝膠纖維顏色和波譜的變化，探究心肌細(xì)胞的收縮力和跳動頻率；不同外界刺激如心肌藥物異丙腎上腺素、生理電位或者鈣離子添加后會對心肌細(xì)胞的收縮力和跳動頻率，通過對光子晶體水凝膠纖維顏色和波譜變化的檢測，實現(xiàn)對心臟藥物的篩選評估。有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有以下優(yōu)勢：1)本專利技術(shù)提供基于光子晶體水凝膠纖維的心肌細(xì)胞檢測方法中，光子晶體水凝膠纖維為心肌細(xì)胞的生長提供良好生物相容性的載體，其獨特且穩(wěn)定的光學(xué)傳感信號和特殊的纖維結(jié)構(gòu)為心肌細(xì)胞收縮力和跳動頻率檢測提供了穩(wěn)定光學(xué)傳感信號；2)相比其他檢測方法，本專利技術(shù)不需要復(fù)雜的檢測系統(tǒng)，該檢測方法不受外界環(huán)境和化學(xué)試劑等因素的影響；3)本專利技術(shù)提供的心肌細(xì)胞的檢測方法表現(xiàn)出靈敏、高效、不受外界條件影響等獨特的內(nèi)在優(yōu)勢；3)本專利技術(shù)所提供基于光子晶體水凝膠纖維的心肌細(xì)胞檢測方法簡單、材料易得、成本低廉、易于規(guī)模化生產(chǎn)等特點，在心臟藥物篩選等生物醫(yī)用材料領(lǐng)域亦有廣闊應(yīng)用前景。附圖說明圖1為光子晶體水凝膠纖維制備示意圖；圖2心肌細(xì)胞在光子晶體水凝膠纖維表面生長示意圖。具體實施方式以下結(jié)合具體實施例對上述方案做進(jìn)一步說明。應(yīng)理解，這些實施例是用于說明本專利技術(shù)而不限于限制本專利技術(shù)的范圍。實施例中采用的實施條件可以根據(jù)具體廠家的條件做進(jìn)一步調(diào)整，未注明的實施條件通常為常規(guī)實驗中的條件。光子晶體水凝膠材料由于其獨特的編碼元素和簡單易識別性，引起了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的極大關(guān)注，在心肌細(xì)胞的培養(yǎng)過程中，可借助光子晶體水凝膠材料的光子禁帶屬性進(jìn)行心肌細(xì)胞收縮力和跳動頻率的檢測，光子晶體水凝膠纖維的光學(xué)傳感屬性在心肌細(xì)胞的檢測方面存在許多內(nèi)在優(yōu)勢：較窄的特征反射峰、穩(wěn)定光學(xué)編碼元素、及不受背景熒光干擾和可控的結(jié)構(gòu)色等。本專利技術(shù)提供了一種基于光子晶體水凝膠纖維的心肌細(xì)胞檢測方法及其應(yīng)用，以解決目前在心肌細(xì)胞的檢測過程中，存在的難以實現(xiàn)心肌細(xì)胞的檢測、需要復(fù)雜的檢測設(shè)備、及耗時、耗力等問題，實驗結(jié)果表明，我們的構(gòu)建的光子晶體水凝膠檢測平臺在心肌細(xì)胞收縮力和跳動頻率的檢測中具備高效、靈敏、不受其他信號干擾和可觀性等內(nèi)在優(yōu)勢。實施例1一種基于甲基丙烯酸酯明膠(GelMA)光子晶體水凝本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種基于光子晶體水凝膠纖維的心肌細(xì)胞檢測方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：1)光子晶體水凝膠纖維的制備：采用模板犧牲法，利用膠體粒子和生物相容性水凝膠前聚體，制備光子晶體水凝膠纖維；2)心肌細(xì)胞的培養(yǎng)：在步驟1)得到的光子晶體水凝膠纖維表面種植心肌細(xì)胞，借助纖維結(jié)構(gòu)進(jìn)行培養(yǎng)，使心肌細(xì)胞在光子晶體纖維表面形成單個有序排列的纖維結(jié)構(gòu)；3)心肌細(xì)胞的檢測：光子晶體水凝膠纖維上心肌細(xì)胞的收縮和舒張引起光子晶體水凝膠纖維的特征反射峰周期性變化，采集光子晶體水凝膠纖維的特征反射峰周期性變化數(shù)據(jù)；4)數(shù)據(jù)的分析：對步驟3)采集的光子晶體水凝膠纖維的特征反射峰周期性變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到心肌細(xì)胞的收縮力和跳動頻率情況。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于光子晶體水凝膠纖維的心肌細(xì)胞檢測方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：1)光子晶體水凝膠纖維的制備：采用模板犧牲法，利用膠體粒子和生物相容性水凝膠前聚體，制備光子晶體水凝膠纖維；2)心肌細(xì)胞的培養(yǎng)：在步驟1)得到的光子晶體水凝膠纖維表面種植心肌細(xì)胞，借助纖維結(jié)構(gòu)進(jìn)行培養(yǎng)，使心肌細(xì)胞在光子晶體纖維表面形成單個有序排列的纖維結(jié)構(gòu)；3)心肌細(xì)胞的檢測：光子晶體水凝膠纖維上心肌細(xì)胞的收縮和舒張引起光子晶體水凝膠纖維的特征反射峰周期性變化，采集光子晶體水凝膠纖維的特征反射峰周期性變化數(shù)據(jù)；4)數(shù)據(jù)的分析：對步驟3)采集的光子晶體水凝膠纖維的特征反射峰周期性變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到心肌細(xì)胞的收縮力和跳動頻率情況。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光子晶體水凝膠纖維的心肌細(xì)胞檢測方法，其特征在于：所述的光子晶體水凝膠纖維的具體制備步驟為：①將單分散的膠體粒子分散在乙醇或者水溶液中，得到濃度為2～20wt％的單分散的膠體粒子溶液，之后將該膠體粒子溶液注入到毛細(xì)管中，自然沉積形成光子晶體纖維模板；②將光子晶體纖維模板浸泡在生物相容性的水凝膠前聚體溶液中1～5h，經(jīng)固化后得光子晶體-水凝膠雜交體系；③去除光子晶體-水凝膠雜交體系中的膠體粒子，得到光子晶體水凝膠纖維。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光子晶體水凝膠纖維的心肌細(xì)胞檢測方法，其特征在于：所述的膠體粒子為二氧化硅、四氧化三鐵、二氧化鈦、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸乙酯或聚乙烯中的一種，...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：趙遠(yuǎn)錦，付繁繁，高崴，陳卓玥，劉羽霄，
申請(專利權(quán))人：東南大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇,32