IEEE MEMS2025 | 阵列式电刺激平台作为环形工程心脏组织收缩力评估创新系统

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引言

心血管疾病仍是全球主要死亡原因。在研发新型治疗方法和药物过程中，构建并研究能够准确模拟人体心脏组织行为的工程心脏组织(EHT)模型非常重要。本文详细介绍一种创新的阵列式电刺激平台，专门用于环形微尺度工程心脏组织(rEHT)的研究，可以在不同电刺激条件下精确评估收缩力[1]。
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2 p% L  n5 u+ m$ ]. ]5 o  i9 O系统概述与设计原理

9 J8 D) w( V, l) a. n) L该平台由聚碳酸酯基底、集成碳电极以及精确制造的二甲基聚硅氧烷(PDMS)微柱组成。这种设计仅需少量细胞(1.0×105个)即可形成并监测环形EHT，特别适合样品的并行测试。平台采用3D打印模具确保微柱尺寸一致性，实现了高精度制造。集成的电刺激系统允许进行标准化测试，而通过微柱偏转分析可实现实时收缩力测量。这种综合设计使得系统能够同时进行多组实验，大大提高了研究效率。
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图1：阵列式电刺激器件概念图，展示了整体结构和关键组件，包括碳电极、环形EHT和测量装置。

制造工艺与方法

制造过程采用了精密的多步骤工艺流程。首先使用光固化3D打印技术制作正模，这种方法可以实现高精度的初始模具制作。随后用Ecoflex制作负模，这种材料具有良好的弹性和成型性能。在负模表面进行聚对二甲苯涂层处理，这一步骤对于确保最终产品的表面性质至关重要。最后制作PDMS孔结构，并将完成的培养孔安装在带有集成碳电极的玻璃底板上。整个制造过程经过精心优化，确保了最终产品的高质量和一致性。
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! T0 {5 l9 V. o9 n图2：微柱制造和电刺激器件组装的分步工艺流程，包括转印成型步骤。
组织形成与表征
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! ^. D5 B. e+ C) Z. O) d环形EHT的制备采用了精确配比的细胞混合物。将人诱导多能干细胞(hiPSC)衍生的心肌细胞与正常人心脏成纤维细胞-心室型(NHCF-V)按9:1的比例混合，这种比例经过优化可以最好地模拟实际心脏组织的细胞组成。混合物在特定条件下培养，随着时间推移逐渐形成具有功能性的心脏组织结构。
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图3：环形EHT形成过程的详细说明，展示了水凝胶混合物注入和组织发育阶段。
, s; C5 u( X$ P+ \/ D2 X2 q3 A# k测量与分析系统
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% |0 f! O  }; d1 g) A& x# a2 ~该平台采用了创新的测量方法来评估组织性能。收缩力测量基于精确的梁偏转模型，该模型考虑了PDMS材料的杨氏模量、微柱的具体几何参数（包括长度和直径）等关键因素。通过实时跟踪微柱的偏转情况，系统能够准确计算组织的收缩力大小。

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' n) [: a$ e1 y0 T: y! f2 d1 w图4：使用微柱偏转运动跟踪的收缩力测量方法示意图。
# H4 j& d6 w  R0 ]% X% M+ j( W( c/ l制造结果与系统验证
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1 p5 e, H. _( L. ~5 W* O制造工艺的精确性通过详细测量和分析得到验证。微柱制造的尺寸误差控制在5%以内，这种高精度保证了实验数据的可靠性。测量结果显示，PDMS微柱的杨氏模量为1.982 ± 0.272 GPa，相比之前研究报道的1.671 ± 0.446 GPa具有更好的一致性。这种改进源于优化的制造工艺和严格的质量控制流程。

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图5：制造完成的微柱和阵列式电刺激器件的实物图像。
5 V. \7 a2 {; Y- Q/ J性能分析与实验结果

环形EHT的形成过程在3天内完成，成功率达到92.8%(13/14)。形成的组织结构呈现出良好的对称性，右侧宽度为772 ± 200 μm，左侧宽度为792 ± 135 μm。这种高度对称的结构证明了制造工艺的可靠性和重复性。通过有限元分析确认了电场分布的均匀性，误差率控制在10%以内，确保了所有样品接收到相同强度的电刺激。

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图6：环形EHT的形成和形状评估的图像与数据，包括组织宽度测量。
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电场分布分析对于确保实验的准确性具有重要意义。分析结果表明，在碳电极之间形成了稳定均匀的电场，这为精确控制电刺激参数提供了基础。
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% r5 e: @8 J8 v' z. Q图7：组织培养区域电场分布的有限元分析结果。
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" z7 Z  E  g8 l实验中对组织进行了1 Hz和2 Hz的双相脉冲电刺激，观察到组织对不同频率的电刺激均表现出明确的响应。这种响应表现为有规律的收缩运动，证实了该系统能够有效地对rEHT施加电刺激并诱导组织收缩。
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# ~3 r) o, @3 B$ M& d& n6 r4 `$ X图8：rEHT在不同频率电刺激下的搏动响应图。

通过精确测量微柱偏转量，计算得出组织的收缩力数据。实验记录显示，平均微柱偏转量为1.65 μm，对应的收缩力为16.52 nN。这些数据具有良好的重复性和可靠性，为进一步研究电刺激参数对组织发育的影响提供了坚实基础。

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图9：rEHT的微柱偏转和收缩力测量详细图表。
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该系统在心脏组织工程研究领域展现出独特优势。通过精确控制和测量能力，结合少量细胞用量的特点，使得大规模并行实验和系统优化研究成为可能。系统的高精度和可重复性为研究电刺激参数对心脏组织发育和功能的影响提供了可靠工具，对推进心血管疾病治疗研究具有重要意义。
参考文献
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[1] D. Miyata, A. Masuda, G. Kagawa, H. Tani, H. Takahashi, S. Tohyama, and H. Onoe, "Arrayed electrical stimulation platform for accurate evaluation of contractile force of ring-shaped engineered heart tissue," in 2025 IEEE 38th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Kaohsiung, Taiwan, 2025, pp. 83-86.
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