背景介绍
为了在分子、细胞和组织水平上更深入地了解人类组织发育和疾病，已经并将继续为许多类型的组织开发模拟天然组织结构并大规模提供生理读数的先进体外模型，即芯片上的器官。骨骼肌是人体中最丰富的组织，其性能通常被评估为收缩力的产生，这与组织微观结构（如肌纤维类型、基质蛋白的表达和细胞骨架的排列）和肌肉的功能状态（如对运动、衰老和疾病的急性和慢性反应）密切相关。芯片上的肌肉系统通常包括细长的3D微型工程肌束，因为与平面2D组织相比，这些构建体在长期培养中表现出更高的稳定性，更高的成肌细胞融合效率，以及从胎儿到成人蛋白质表达谱的增强过渡。为了制造3D肌肉束，肌肉前体细胞通常嵌入细胞外基质水凝胶中，并锚定在柔性支柱、杆、串、或框架上。在大多数示例中，肌束收缩会导致锚点偏转，因此可以通过捕获锚点偏转的显微镜图像或手动将锚点连接到力传感器来估计收缩力。然而，这种方法的缺点包括可扩展性和吞吐量低，以及缺乏对组织性能的即时原位读数。
提高芯片上肌肉设备读出能力的一种方法是实现电子传感组件，从而能够快速实时记录和快速处理生物信号。现代洁净室制造技术已被用于制造芯片上肌肉设备的微型电子元件。然而，除了高成本和专用设备的有限可及性外，传统的洁净室技术在制造与工程组织集成所需的柔软、柔性或可拉伸部件时还面临某些技术限制，例如金属与聚合物基材的粘附性差，聚合物基材上工艺的温度范围有限，以及可变形基材上脆性金属的开裂，理想情况下，这些技术应该足够稳定，能够承受数千次放松或收缩循环。近年来，已经开发了固有可拉伸和导电材料，如有机电化学导体（如聚（3,4-乙撑二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐）和分散在水凝胶或硅酮弹性体中的各种形式的金属或导电碳颗粒。此外，无需洁净室的加工技术，如丝网印刷和喷墨或挤压印刷，已经适应了这种制造需求。
将聚合物直接激光碳化成导电石墨烯的新兴技术为设备定制电子元件的快速原型制作开辟了令人兴奋的新可能性。在这个过程中，紫外或红外激光将含有苯基和其他芳香族基团的聚合物薄膜局部加热到数千开尔文，这导致聚合物光热转化为称为激光诱导石墨烯（LIG）的3D导电碳泡沫。当激光在薄膜上行进时，LIG的痕迹会留在用户定义的路径上。在聚合物薄膜上制造的LIG也被转移到弹性体基板上，使得施加的力或压力引起的基板变形改变了LIG的几何形状，从而改变了电阻率。通过这种方式，已经开发出大型宏观LIG传感器，并用于通过监测LIG层的电阻率来监测干燥环境中人体肢体的运动和产生的应变或压力。然而，这项技术尚未小型化，以评估微尺度组织的性能，例如芯片上器官配置中的组织。尽管已经实施了各种激光波长的定制设置来产生LIG，但用10.6 µm CO2激光器实现碳化是描述得最充分的过程。这种红外激光器是激光雕刻机的一种相对标准的组件，已经存在于许多工程实验室和学术创客空间，使LIG成为一种有前景的材料，可以直接、快速、低成本地将电子传感元件集成到芯片上肌肉设备中。
本文亮点
1. 本工作采用商用CO2激光器在聚酰亚胺（PI）薄膜上产生激光诱导石墨烯（LIG）图案。然后将LIG从PI转移到薄的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜上，制成导电、固有柔性和可拉伸的层，在重复的拉伸循环下表现出长期稳定性。
2. 工程骨骼肌束锚定在LIG-PDMS应变仪上，它们的收缩是对电刺激的反应，电刺激由集成在设备中的LIG-PI刺激电极传递。
图文解析
图1. 将应变计集成到芯片上肌肉设备的设计考虑因素。A.监测肌肉收缩力的记录原理。肌肉收缩使杆偏转，导致导电应变仪的电阻率变化。B.虽然LIG-PI和LIG-PDMS都是灵活的，但只有LIG-PDMS是可拉伸的。LIG-激光诱导石墨烯，PDMS-聚二甲基硅氧烷，PI-聚酰亚胺。C.应变仪3D肌束装置层的示意图，显示了一个带有四个束室的阵列。D.在填充充满肌肉细胞的水凝胶前后，用棒封闭一个束室。E.器械中两个肌束的照片。F.组装装置示意图。
图2. 在薄PI薄膜上制备LIG。A） 使用台式激光雕刻机在PI薄膜上雕刻LIG工艺的示意图，以及在127 µm PI片（琥珀色材料）上雕刻的导电LIG路径（黑色材料），成功连接电池和发光二极管。图案是以光栅模式雕刻的。B） 光栅模式和矢量模式（V1和V2）下雕刻LIG的示意图。V1和V2在电测量的几何形状上不同，因为V1线垂直于电流，V2线平行。C） i）光栅LIG的连续区域。ii）通过以蛇形图案雕刻线来实现矢量LIG的连续区域。iii）使用速度4.17 mm s-1和激光功率0.9 W或1.2 W雕刻的矢量LIG线。间距表示图形文件中矢量线中心之间的距离。D.光栅LIG的质量与激光功率和速度的关系。E.矢量LIG单线的宽度与激光功率和速度的函数关系。F.光栅LIG的扫描电子显微镜（SEM）图像。G.矢量LIG的扫描电镜（SEM）显示，线中心之间刻有100 µm的间距。H.LIG薄层电阻与指定雕刻参数的函数关系。对于V1和V2，破折号后的数字表示间距，例如，“V1-100”表示以100 µm间距垂直于电流排列的线。每种设置有5个技术重复，*表示p<0.05，****p<0.0001，使用具有多重比较的单因素方差分析，条形表示标准偏差。对于C-H，使用25.4 µm PI薄膜；所有光栅LIG的分辨率为1200 DPI；所有矢量LIG的频率为2500 Hz。对于F-H，光栅模式下的功率为1.5 W，速度为4.17 mm s-1，矢量模式下的功耗为0.9 W，速度是4.17 mm s-1。
图3. LIG从PI到PDMS的转移以及LIG-PDMS的表征。A） LIG从PI膜转移到PDMS膜的示意图。B） LIG-PI（左）和LIG-PDMS（右）的照片。C） 从光栅LIG-PI转移的LIG-PDMS的SEM。D.从载体LIG-PI转移的LIG-PDMS的SEM。E） LIG-PDMS薄层电阻与LIG-PI雕刻所用参数的函数关系。V1表示垂直于电流的矢量线对齐，V2表示平行于电流的向量线对齐。虚线后的数字表示矢量线之间的间距。F） LIG-PDMS延长4.5%100和1000次循环后薄层电阻的进展。G） SEM（左）和带有第二层PDMS封装的LIG-PDMS示意图（右）。H） 2 mm×22 mm封装LIG-PDMS样品在37°C PBS中浸泡2周后的电阻率变化。对于C-H，LIG以光栅（1.5 W功率，4.17 mm s-1速度，1200 dpi）或矢量（0.9 W功率，4.17 mm s-1速度、2500 Hz）模式雕刻在25.4 µm PI薄膜上，并转移到150 µm厚的PDMS薄膜上。对于E、F和H，ns表示p>0.05、*p<0.05、**p<0.01、***p<0.001、****p<0.0001，使用具有多重比较的单因素方差分析，条形表示标准差。对于E和F，N=6-18个技术复制品。对于H，N=4-5个技术复制品。
图4. 在掺杂µPI粉末的PDMS上直接写入LIG。A） 将µPI粉末混合到PDMS预聚物中并直接雕刻在µPI-PDMS膜上的示意图，该膜将嵌入的µPI粉末转化为µLIG。B） µLIG-PDMS在50%µPI-PDMS上以光栅（文本，左下矩形）和矢量模式（右下线条）雕刻的照片。C） 在光栅模式下使用4.17 mm s-1的激光速度优化50%µPI-PDMS上的雕刻参数。2 mm×6 mm工件的电阻未校正为探头的接触电阻。N=6个技术复制品，条形代表标准偏差。D） 以光栅模式雕刻的µLIG-PDMS的SEM。E） µLIG-PDMS的扫描电镜以矢量模式雕刻。F） 在4.5%的拉伸100和1000次循环后，薄层电阻的进展。光栅µLIG-PDMS采用4.17 mm s-1速度、1.5 W功率和1200 dpi雕刻。使用0.9 W功率、4.17 mm s-1速度和2500 Hz的V2-100模板（100 µm间距）雕刻矢量µLIG-PDMS。N=5个技术复制品，条形代表标准偏差。
图5. LIG-PDMS应变计的应变传感特性。A） 具有四个束室的设备的可拉伸LIG-PDMS应变仪层的示意图（i）和照片（正常-ii，拉伸-iii）。B） 属于同一肌束室的两个应变计的特写照片。C） 头台中的记录阵列由基座和第一印刷电路板组成。安装的阵列可以放置在细胞培养箱中，并通过带状电缆与位于培养箱外部的记录设备连接。D） 在1 Hz下拉伸超过1000次循环期间应变计电阻的进展。施加负载，8.8 mN。E）快速施加1.6 mN负载后应变计电阻的相对变化。F） 位移和伸长示意图。G） 在相同的施加伸长率下，应变片电阻随不同偏转频率的相对变化。H） 应变片电阻在0.25 Hz下随不同伸长率的相对变化。I） 材料的应力应变测试。J） 应变计电阻随施加负载力增加的相对变化和相关校准曲线（插图）。
图6. LIG-PDMS应变仪测量工程肌束收缩。A） 上图为C2C12成肌细胞、纤维蛋白原和凝血酶形成束的示意图（也添加了Matrigel，但此处未显示）。底部，肌肉束培养的时间过程。B） 芯片上肌肉装置内包裹在LIG-PDMS应变仪周围的肌肉束的照片。C） 分化第7天肌束的免疫染色图像。F-actin纤维的绿色鬼笔环肽染色；细胞核DAPI染色。D） 在分化第17天，以2 Hz的频率用40 ms的双相脉冲刺激诱导抽搐收缩，记录肌肉收缩。垂直红色虚线表示刺激的时间点。
第一作者：Anastasia Svetlova
通讯作者：Megan L. McCain
通讯单位：南加州大学
DOI: 10.1002/adfm.202417184
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