基于光子晶体水凝胶纤维的心肌细胞检测方法及其应用与流程

本发明涉及一种基于光子晶体水凝胶纤维的心肌细胞检测方法及其应用,属于生物医药材料研究技术领域。

背景技术：

目前，心肌细胞的来源主要是依赖体外心肌细胞的培养，和体内动物模型的构建，而在心肌细胞功能的检测过程中，简单的二维细胞培养，由于缺乏机体的复杂性，并不能真实的模拟体内复杂的生理过程；而动物模型的不确定性及其本身的复杂性，使得其在心肌细胞的检测的应用中也面临了一定的挑战，在新药研发及其他生理过程研究中，为在细胞或器官水平上实现体内器官的真实模拟，研究学者们已经结合精密加工、仿生学和微流体等优势学科，研究并开发了多种用于心肌细胞的检测技术。然而，基于目前这些技术中所构建的大多数检测方法中，不但需要复杂的检测系统，消耗大量的时间和精力，也很难实现心肌细胞的单细胞检测。在心脏及心肌细胞的研究中，心肌细胞的收缩力和跳动频率作为其中的两项主要的参数，是评判心脏功能和心肌细胞活性的重要指标。因此，研究并开发具备高灵敏性检测心肌细胞检测平台、制备能够在单细胞水平实现传感的材料、构建稳定的心肌细胞及心肌单细胞收缩力和跳动频率的检测技术，仍然面临着严峻的挑战。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的在于提供一种基于光子晶体水凝胶纤维的心肌细胞检测方法及其应用，该方法中光子晶体水凝胶纤维不但为细胞的生长提供载体、诱导心肌细胞定向生成，并为实现心肌细胞收缩力和跳动频率的检测提供稳定的光学传感信号，该检测方法不需要复杂的检测系统，具备直观性、高效、不受外界条件影响的优势，材料易得、成本低廉、易于规模化生产，且该方法应用于心脏药物的筛选评估。

技术方案：本发明提供了一种基于光子晶体水凝胶纤维的心肌细胞检测方法，该方法包括以下步骤：

1)光子晶体水凝胶纤维的制备：采用模板牺牲法，利用胶体粒子和生物相容性水凝胶前聚体，制备光子晶体水凝胶纤维；

2)心肌细胞的培养：在步骤1)得到的光子晶体水凝胶纤维表面种植心肌细胞，借助纤维结构进行培养，使心肌细胞在光子晶体纤维表面形成单个有序排列的纤维结构；

3)心肌细胞的检测：光子晶体水凝胶纤维上心肌细胞的收缩和舒张引起光子晶体水凝胶纤维的特征反射峰周期性变化，采集光子晶体水凝胶纤维的特征反射峰周期性变化数据；

4)数据的分析：对步骤3)采集光子晶体水凝胶纤维的特征反射峰周期性变化数据进行分析，得到心肌细胞的收缩力和跳动频率情况。

其中：

所述的光子晶体水凝胶纤维的具体制备步骤为：

①将单分散的胶体粒子分散在乙醇或者水溶液中，得到浓度为2～20wt％的单分散的胶体粒子溶液，之后将该胶体粒子溶液注入到毛细管中，自然沉积形成光子晶体纤维模板；

②将光子晶体纤维模板浸泡在生物相容性的水凝胶前聚体溶液中1～5h，经固化后得光子晶体-水凝胶杂交体系；

③去除光子晶体-水凝胶杂交体系中的胶体粒子，得到光子晶体水凝胶纤维。

所述的胶体粒子为二氧化硅、四氧化三铁、二氧化钛、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种，且其粒径大小为100～300nm。

所述的生物相容性水凝胶前聚体为胶原蛋白、明胶、甲基丙烯酸甲酯修饰的明胶、牛血清白蛋白、丝素蛋白、醋酸丁酸纤维素、海藻酸钙、硅氧烷甲基丙烯酸酯、琼脂糖、聚乙烯醇、甲基丙烯酸缩水甘油酯或二甲基丙烯酸乙二醇酯中的一种或多种的混合物。

所述的光子晶体水凝胶纤维的直径为30～300μm。

步骤①所述的自然沉积形成光子晶体纤维模板在温度为100～800℃条件下，高温煅烧后获得机械强度高的光子晶体纤维模板；

步骤②所述的固化采用的方法为紫外光固化、热固化或者溶剂挥发固化中的一种。

步骤②所述的毛细管为玻璃管、聚乙烯管或者特氟龙管，其尺寸为直径为30～300μm。

步骤③中所述的去除光子晶体-水凝胶杂交体系中的胶体粒子采用的方法为化学腐蚀法、物理溶解法或者高温煅烧法。

步骤2)所述的培养是指在二氧化碳细胞培养箱中，在36～40℃、2～10wt％co2培养环境中培养2～10天。

所述的光子晶体水凝胶纤维特征反射峰的波长在300nm～1000nm之间，并通过光子晶体纤维模板中粒子的粒径大小进行调节。

所述的心肌细胞为不同种属及诱导分化得到的各类心肌细胞。

所述的心肌细胞的收缩力收缩力大小根据光子晶体水凝胶纤维的特征反射峰偏移量δλ的大小来确定，在相同培养条件情况下，对心肌细胞施加不同的刺激，δλ偏移量越大，表明心肌细胞的收缩力越大。

所述的心肌跳动频率的推算公式为f＝1/t，其中f为心肌跳动频率，t为特征反射峰单次周期变化时间。

所述的心肌细胞检测是指在不同的刺激条件下，对心肌细胞收缩力和跳动频率的检测。

本发明还提供了一种基于光子晶体水凝胶纤维的心肌细胞检测方法的应用，该方法应用于心脏药物的筛选评估。当心脏药物加入后，通过检测生长有心肌细胞的光子晶体水凝胶纤维的特征反射峰的变化，分析心肌细胞的收缩力和跳动频率变化，从而实现对药物进行筛选评估。

所述的心肌细胞在光子晶体水凝胶纤维生长时，由于心肌细胞的收缩引起光子晶体水凝胶纤维内部晶格的变化以及水凝胶纤维宏观角度的变化，通过对光子晶体水凝胶纤维颜色和波谱的变化，探究心肌细胞的收缩力和跳动频率；不同外界刺激如心肌药物异丙肾上腺素、生理电位或者钙离子添加后会对心肌细胞的收缩力和跳动频率，通过对光子晶体水凝胶纤维颜色和波谱变化的检测，实现对心脏药物的筛选评估。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1)本发明提供基于光子晶体水凝胶纤维的心肌细胞检测方法中，光子晶体水凝胶纤维为心肌细胞的生长提供良好生物相容性的载体，其独特且稳定的光学传感信号和特殊的纤维结构为心肌细胞收缩力和跳动频率检测提供了稳定光学传感信号；

2)相比其他检测方法，本发明不需要复杂的检测系统，该检测方法不受外界环境和化学试剂等因素的影响；

3)本发明提供的心肌细胞的检测方法表现出灵敏、高效、不受外界条件影响等独特的内在优势；

3)本发明所提供基于光子晶体水凝胶纤维的心肌细胞检测方法简单、材料易得、成本低廉、易于规模化生产等特点，在心脏药物筛选等生物医用材料领域亦有广阔应用前景。

附图说明

图1为光子晶体水凝胶纤维制备示意图；

图2心肌细胞在光子晶体水凝胶纤维表面生长示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

光子晶体水凝胶材料由于其独特的编码元素和简单易识别性，引起了其在生物医学领域的极大关注，在心肌细胞的培养过程中，可借助光子晶体水凝胶材料的光子禁带属性进行心肌细胞收缩力和跳动频率的检测，光子晶体水凝胶纤维的光学传感属性在心肌细胞的检测方面存在许多内在优势：较窄的特征反射峰、稳定光学编码元素、及不受背景荧光干扰和可控的结构色等。

本发明提供了一种基于光子晶体水凝胶纤维的心肌细胞检测方法及其应用，以解决目前在心肌细胞的检测过程中，存在的难以实现心肌细胞的检测、需要复杂的检测设备、及耗时、耗力等问题，实验结果表明，我们的构建的光子晶体水凝胶检测平台在心肌细胞收缩力和跳动频率的检测中具备高效、灵敏、不受其他信号干扰和可观性等内在优势。

实施例1一种基于甲基丙烯酸酯明胶(gelma)光子晶体水凝胶纤维的心肌细胞的检测及其应用

1、gelma光子晶体水凝胶纤维的制备：

采用化学腐蚀法，利用光子晶体纤维模板和生物相容性的水凝胶，制备光子晶体水凝胶纤维：

1)首先将纯化好的单分散在300nm的二氧化硅粒子分散在乙醇溶液中，得到二氧化硅粒子浓度为20wt％的二氧化硅乙醇溶液；

2)然后将二氧化硅乙醇溶液注入到毛细管(id300μm)中，自然沉积形成光子晶体纤维模板，最后对所得光子晶体纤维模板进行高温煅烧(800℃)，获得机械强度较好的光子晶体纤维模板；

3)将机械强度较好的光子晶体纤维模板在gelma水凝胶前聚液(0.3g/ml)中浸泡5h，经过紫外固化得光子晶体水凝胶杂交体系；

4)最后利用hf(2wt％)腐蚀掉光子晶体水凝胶杂交体系中的二氧化硅粒子，获得光子晶体gelma水凝胶纤维。

2、gelma光子晶体水凝胶纤维用于心肌细胞的培养

将提取好的sd乳大鼠的心肌细胞种植在gelma光子晶体水凝胶纤维表面，细胞种植密度为5*10⁴/cm²，之后置于二氧化碳细胞培养箱，在37℃、5wt％co2培养环境中培养10天，得到生长有sd乳大鼠的心肌细胞的光子晶体gelma水凝胶纤维。

3、基于gelma光子晶体水凝胶纤维对心肌细胞收缩力和跳动频率的检测

当心肌细胞在光子晶体水凝胶纤维表面生长并产生周期性的收缩时，光子晶体水凝胶纤维的内部晶格会随着心肌细胞的收缩和舒张产生体积和角度的变化。根据布拉格衍射公式：λ＝1.633d(naverage²-cos²θ)^1/2(其中d值为衍射平面间的距离，θ布拉格掠射角)，当光子晶体水凝胶的体积和角度发生变化时，d值和θ也会发生变化，因此，光子晶体的特征反射峰也会发生变化；在37℃条件下，把培养有心肌细胞的gelma光子晶体水凝胶纤维置于光谱仪的显微镜下面，通过光纤光谱仪检测出光子晶体的特征反射峰周期性变化数据，分析得到心肌细胞的收缩力和跳动频率情况，从而间接进行心肌细胞的检测：

所述的心肌细胞的收缩力根据光子晶体水凝胶纤维的特征反射峰偏移量δλ的大小来确定，在相同培养条件情况下，对心肌细胞施加不同的刺激，δλ偏移量越大，表明心肌细胞的收缩力越大。

所述的心肌跳动频率的推算公式为f＝1/t，其中f为心肌跳动频率，t为特征反射峰单次周期变化时间。

4、对心脏药物额筛选评估

将生长有sd乳大鼠的心肌细胞的光子晶体gelma水凝胶纤维置于不同浓度的心肌药物异丙肾上腺素环境中，心肌细胞收缩力和跳动频率的变化引起光子晶体gelma水凝胶纤维颜色和波谱的变化，通过对光子晶体gelma水凝胶纤维的颜色和波谱的变化检测，实现对心肌药物异丙肾上腺素的筛选评估。

实例2一种基于牛血清白蛋白(bsa)光子晶体水凝胶纤维的心肌细胞检测及其应用

1、bsa光子晶体水凝胶纤维的制备：

采用物理溶解法，利用光子晶体纤维模板和生物相容性的水凝胶，制备光子晶体水凝胶纤维：

1)首先将纯化好的单分散在100nm的聚苯乙烯粒子分散在水溶液中，得到浓度为10wt％的聚苯乙烯水溶液；

2)然后将聚苯乙烯水溶液注入到毛细管(id200μm)中，自然沉积形成光子晶体纤维模板。

3)将机械强度较好的光子晶体纤维模板在bsa水凝胶前聚液(0.2g/ml)中浸泡2h，经过戊二醛(2wt％)交联得光子晶体水凝胶杂交体系；

4)最后利用无水乙醇溶解光子晶体水凝胶杂交体系中的聚苯乙烯，获得光子晶体bsa水凝胶纤维。

2、bsa光子晶体水凝胶纤维用于心肌细胞的培养

将提取好的sd乳大鼠的心肌细胞种植在bsa光子晶体水凝胶纤维表面，细胞种植密度为1*10⁵/cm²，之后置于二氧化碳细胞培养箱，在36℃、10wt％co2培养环境中培养8天，得到生长有sd乳大鼠的心肌细胞的bsa光子晶体水凝胶纤维。

3、基于bsa光子晶体水凝胶纤维对心肌细胞收缩力和跳动频率的检测

当心肌细胞在光子晶体水凝胶纤维表面生长并产生周期性的收缩时，光子晶体水凝胶纤维的内部晶格会随着心肌细胞的收缩和舒张产生体积和角度的变化。根据布拉格衍射公式：λ＝1.633d(naverage²-cos²θ)^1/2(其中d值为衍射平面间的距离，θ布拉格掠射角)，当光子晶体水凝胶的体积和角度发生变化时，d值和θ也会发生变化，因此，光子晶体的特征反射峰也会发生变化。而通过光纤光谱仪可以便捷的检测出光子晶体的特征反射峰，从而间接进行心肌细胞的检测；在37℃条件下，把培养有心肌细胞的bsa光子晶体水凝胶纤维置于光谱仪的显微镜下面，通过光纤光谱仪检测出bsa光子晶体水凝胶纤维的特征反射峰周期性变化数据，分析得到心肌细胞的收缩力和跳动频率情况，从而间接进行心肌细胞的检测：

所述的心肌细胞的收缩力根据光子晶体水凝胶纤维的特征反射峰偏移量δλ的大小来确定，在相同培养条件情况下，对心肌细胞施加不同的刺激，δλ偏移量越大，表明心肌细胞的收缩力越大。

所述的心肌跳动频率的推算公式为f＝1/t，其中f为心肌跳动频率，t为特征反射峰单次周期变化时间。

4、对心脏药物的筛选评估

将生长有sd乳大鼠的心肌细胞的光子晶体bsa水凝胶纤维置于不同钙离子环境中，心肌细胞收缩力和跳动频率的变化引起光子晶体bsa水凝胶纤维颜色和波谱的变化，通过对光子晶体bsa水凝胶纤维的颜色和波谱的变化检测实现钙离子对心肌细胞影响评估。

实例3一种基于明胶光子晶体水凝胶纤维的心肌细胞的检测及其应用

1、明胶光子晶体水凝胶纤维的制备：

采用化学腐蚀法，利用光子晶体纤维模板和生物相容性的水凝胶，制备光子晶体水凝胶纤维：

1)首先将纯化好的单分散在200nm的二氧化硅粒子分散在乙醇溶液中，得到二氧化硅粒子浓度为2wt％的二氧化硅乙醇溶液；

2)然后将二氧化硅乙醇溶液注入到毛细管(id200μm)中，自然沉积形成光子晶体纤维模板，最后对所得光子晶体纤维模板进行高温煅烧(100℃)，获得机械强度较好的光子晶体纤维模板；

3)将机械强度较好的光子晶体纤维模板在明胶水凝胶前聚液(0.25g/ml)中浸泡3h，经过戊二醛(3wt％)交联得光子晶体水凝胶杂交体系；

4)最后利用naoh(30wt％)腐蚀掉光子晶体水凝胶杂交体系中的二氧化硅粒子，获得明胶光子晶体水凝胶纤维。

2、明胶光子晶体水凝胶纤维用于心肌细胞的培养

将提取好的sd乳大鼠的心肌细胞种植在明胶光子晶体水凝胶纤维表面，细胞种植密度为1*10⁴/cm²，之后置于二氧化碳细胞培养箱，在40℃、2wt％co2培养环境中培养5天，得到生长有sd乳大鼠的心肌细胞的明胶光子晶体水凝胶纤维。

3、基于明胶光子晶体水凝胶纤维对心肌细胞收缩力和跳动频率的检测

当心肌细胞在光子晶体水凝胶纤维表面生长并产生周期性的收缩时，光子晶体水凝胶纤维的内部晶格会随着心肌细胞的收缩和舒张产生体积和角度的变化。根据布拉格衍射公式：λ＝1.633d(naverage²-cos²θ)^1/2(其中d值为衍射平面间的距离，θ布拉格掠射角)，当光子晶体水凝胶的体积和角度发生变化时，d值和θ也会发生变化，因此，光子晶体的特征反射峰也会发生变化；在37℃条件下，把培养有心肌细胞的明胶光子晶体水凝胶纤维置于光谱仪的显微镜下面，通过光纤光谱仪检测出明胶光子晶体水凝胶纤维的特征反射峰周期性变化数据，分析得到心肌细胞的收缩力和跳动频率情况，从而间接进行心肌细胞的检测：

所述的心肌细胞的收缩力根据光子晶体水凝胶纤维的特征反射峰偏移量δλ的大小来确定，在相同培养条件情况下，对心肌细胞施加不同的刺激，δλ偏移量越大，表明心肌细胞的收缩力越大。

所述的心肌跳动频率的推算公式为f＝1/t，其中f为心肌跳动频率，t为特征反射峰单次周期变化时间。

4、电刺激对心肌细胞的影响研究

将生长有sd乳大鼠的心肌细胞的明胶光子晶体水凝胶纤维用于生理电位对心肌细胞的影响研究，当施加不同的电位时，心肌细胞收缩力和跳动频率的变化引起明胶光子晶体水凝胶纤维颜色和波谱的变化，通过对明胶光子晶体水凝胶纤维的颜色和波谱的变化检测实现生理电位对心肌细胞的影响评估。

实例4一种基于丝素蛋白光子晶体水凝胶纤维的心肌细胞的检测及其应用

1、丝素蛋白光子晶体水凝胶纤维的制备：

采用物理溶解法，利用光子晶体纤维模板和生物相容性的水凝胶，制备光子晶体水凝胶纤维：

1)首先将纯化好的单分散在280nm的聚苯乙烯粒子分散在水溶液中，得到浓度为15wt％的聚苯乙烯水溶液；

2)然后将聚苯乙烯水溶液注入到毛细管(id30μm)中，自然沉积形成光子晶体纤维模板。

3)将机械强度较好的光子晶体纤维模板在丝素蛋白水凝胶前聚液(0.3g/ml)中浸泡2h，冷冻干燥固化得光子晶体水凝胶杂交体系；

4)最后利用无水乙醇溶解光子晶体水凝胶杂交体系中的聚苯乙烯，获得丝素蛋白光子晶体水凝胶纤维。

2、丝素蛋白光子晶体水凝胶纤维用于心肌细胞的培养

将提取好的sd乳大鼠的心肌细胞种植在丝素蛋白光子晶体水凝胶纤维表面，细胞种植密度为1*10⁵/cm²，之后置于二氧化碳细胞培养箱，在38℃、7wt％co2培养环境中培养2天，得到生长有sd乳大鼠的心肌细胞的丝素蛋白光子晶体水凝胶纤维。

3、基于丝素蛋白光子晶体水凝胶纤维对心肌细胞收缩力和跳动频率的检测

当心肌细胞在光子晶体水凝胶纤维表面生长并产生周期性的收缩时，光子晶体水凝胶纤维的内部晶格会随着心肌细胞的收缩和舒张产生体积和角度的变化。根据布拉格衍射公式：λ＝1.633d(naverage²-cos²θ)^1/2(其中d值为衍射平面间的距离，θ布拉格掠射角)，当光子晶体水凝胶的体积和角度发生变化时，d值和θ也会发生变化，因此，光子晶体的特征反射峰也会发生变化；在37℃条件下，把培养有心肌细胞的丝素蛋白光子晶体水凝胶纤维置于光谱仪的显微镜下面，通过光纤光谱仪检测出丝素蛋白光子晶体水凝胶纤维的特征反射峰周期性变化数据，分析得到心肌细胞的收缩力和跳动频率情况，从而间接进行心肌细胞的检测：

所述的心肌细胞的收缩力根据光子晶体水凝胶纤维的特征反射峰偏移量δλ的大小来确定，在相同培养条件情况下，对心肌细胞施加不同的刺激，δλ偏移量越大，表明心肌细胞的收缩力越大。

所述的心肌跳动频率的推算公式为f＝1/t，其中f为心肌跳动频率，t为特征反射峰单次周期变化时间。

4、对心脏药物美托洛尔的筛选评估

将生长有sd乳大鼠的心肌细胞的丝素蛋白光子晶体水凝胶纤维置于不同浓度的心脏药物美托洛尔环境中，心肌细胞收缩力和跳动频率的变化引起丝素蛋白光子晶体水凝胶纤维颜色和波谱的变化，通过对丝素蛋白光子晶体水凝胶纤维的颜色和波谱的变化检测实现美托洛尔药物对心肌细胞影响评估。