[发明专利]基于蛋白质丝弹簧的体外心肌组织收缩力的测量方法

说明书

本发明公开了基于蛋白质丝弹簧的体外心肌组织收缩力的测量方法，属于生物医用材料技术领域，将心肌细胞与水凝胶溶液混合，接种到两根平行直蛋白质丝的区域，待水凝胶成胶和心肌细胞开始收缩后，通过显微镜观察获得蛋白质丝弹簧的拉伸长度，根据已知的弹性系数和胡克定律即可计算出心肌细胞的收缩力。本发明的基于蛋白质丝弹簧的体外心肌组织收缩力的测量方法简单，仅需要缠绕和加热，不需要复杂的加工技术，而现有技术的装置(如PDMS微柱)制备方法复杂；本发明的蛋白质丝弹簧精度高，其弹性系数可以达到0.02N/m，能够准确测量心肌细胞跳动的收缩力；同时，其制备方法操作简便，成本低廉，在组织工程领域有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于生物医用材料技术领域，具体涉及基于蛋白质丝弹簧的体外心肌组织收缩力的测量方法。

背景技术

力在生物领域扮演着重要的角色，无论是分子间的相互作用，还是维持生命的心脏的跳动，都与力有着不可分割的联系。细胞产生的力，特别是心肌细胞产生的收缩力，对于调节细胞的机械特性和生理功能起着重要的作用。

在过去的三十年中，研究者们开发了不同的平台用于这些力的测量。其中一个关键的方法是使用原子力显微镜，原子力显微镜可以测量从皮牛顿到微牛顿的力。但是原子力显微镜主要用于二维培养的细胞的测量。另一个平台是利用聚二甲基硅氧烷微柱作为力的传感器，来测量包埋在水凝胶中的跳动心肌组织产生的收缩力。

然而，这些方法因为需要昂贵的设备，比如原子力显微镜，或交叉学科的专业知识，或专业的微制造技术，而限制了其在普通实验室的应用。

力在各种不同的生物体内都扮演着重要的角色，研究由细胞和组织产生的力至关重要。对于力的研究，测量其大小尤为重要。但测量细胞和组织产生的力仍然是生物医学工程领域的一个挑战。

人体组织中，心脏的收缩和舒张取决于心肌细胞的跳动，研究心肌细胞和组织产生的收缩力对于心脏疾病的研究具有重要意义。众所周知，心血管疾病都是导致全球死亡的头号杀手。过去的几十年来，研究者们致力于探索心血管疾病的发病机制和相应的治疗措施。由于心肌细胞停止增殖，不能再生，为在体外模拟心脏的环境，在很长的一段时间内，动物模型被用来研究和测试心脏疾病相关的药物。但是，由于种间差异，动物模型并不能很好地模拟人体心脏的环境，导致很多药物进入临床后因为没有预期的效应或有较强的毒副作用而被撤回。理想的体外心脏模型应该以人源心肌细胞作为种子细胞，从而使模型更贴近真实的人体心脏环境。近年来，随着人诱导多能干细胞的兴起，越来越多的研究致力于将人诱导多能干细胞诱导分化为人心肌细胞，再进一步将分化所得的心肌细胞与水凝胶等混合构建体外三维心肌组织。

心肌组织的收缩力是反映心肌组织功能的重要指标。根据文献报道，心肌组织的收缩力通常只有几微牛，因此测量心肌组织收缩力的技术要求较高。在目前测量心肌组织收缩力的方法中，聚二甲基硅氧烷(PDMS)微柱是应用最为广泛的，也是技术最成熟的。但是，PDMS微柱的制备方法复杂，对实验室条件的要求较高。

发明内容

发明目的：本发明提出基于蛋白质丝弹簧的体外心肌组织收缩力的测量方法，测量精度高，为心肌组织收缩力的测量提供了新的有力手段。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

测量体外心肌组织收缩力的蛋白质丝弹簧装置，包括如下步骤：

基于蛋白质丝弹簧的体外心肌组织收缩力的测量方法，包括如下步骤：

1)通过缠绕和加热制备得到蛋白质丝弹簧；

2)通过已知质量的球和游标卡尺测量蛋白质丝弹簧的弹性系数；

3)将蛋白质丝弹簧两端分别固定于长方形聚合物槽的两端，再在聚合物槽的其中一端固定两根平行排列的直蛋白质丝，与聚合物槽垂直相交，即获得心肌组织的体外培养和测量平台；