大藍閃蝶是一種大型熱帶蝶類，因其具有閃亮的結構色而受到廣泛關注。這種絢麗的金屬藍色來源于閃蝶翅膀的鱗片上平行排列的納米脊狀多層分級結構，這種結構能夠在其光子帶隙中操縱光子的傳播，使閃蝶鱗翅表現出明亮的結構色。許多基于閃蝶鱗翅結構的復制仿生元件已在光子器件、功能傳感、自清潔表面等領域已經有所應用，但由于現有納米加工能力和材料的局限性，閃蝶鱗翅的生物醫學價值仍未得到探索。

近日，東南大學生物醫學工程學院趙遠錦教授領導的研究小組提出了一種基于大藍閃蝶鱗翅的心臟芯片構建方法（如圖1）。該方法利用大藍閃蝶鱗翅的脊狀分級結構的取向誘導性以及鱗翅主要成分幾丁質的生物相容性，使組裝其上的心肌細胞定向生長并恢復自主跳動。心肌細胞在周期性跳動過程中的收縮和舒張帶動鱗翅經歷同步的彎曲形變，導致鱗翅結構色和光子禁帶產生相應變化，從而達到心肌力學性能自報告的目的。

圖1 基于大藍閃蝶鱗翅構建心臟芯片示意圖

利用等離子體接枝技術，使大藍閃蝶鱗翅表面由超疏水變為親水，以適應細胞培養的需求；通過碳納米管在脊狀結構間隙之間的定向填充，增加鱗翅基底的電傳導效率，提升心肌細胞的搏動一致性；通過在鱗翅表面覆蓋生物相容性水凝膠薄層，進一步提高鱗翅基底的生物相容性（如圖2和圖3）。

圖2 大藍閃蝶鱗翅基底的處理過程

圖3 用大藍閃蝶鱗翅基底培養心肌細胞

由于大藍閃蝶鱗翅基底經過處理具有較好的柔性，心肌細胞在自主收縮時帶動鱗翅基底產生周期性彎曲。利用鱗翅結構色的角度依賴性，在固定觀察位置記錄不同彎曲角度下鱗翅的結構色光譜位置，可以直觀的反映心肌細胞的跳動頻率和產生收縮力的大?。ㄈ鐖D4所示）。

圖4 心肌細胞驅動的大藍閃蝶鱗翅基底變色過程

基于這種直觀的顏色或光譜變化，大藍閃蝶鱗翅基底可以用作心臟藥物的評估和篩選。通過鱗翅基底的結構色光譜波峰移動的頻率和差值，可以即時得到藥物對心肌細胞的作用（如圖5所示）。值得一提的是，由于大藍閃蝶鱗片和心肌細胞尺寸相似，基于鱗翅基底的單細胞水平的力學研究也可以通過簡單的光學傳感實現（如圖6所示）。

圖5 培養有心肌細胞的大藍閃蝶鱗翅基底用作藥物評估平臺

圖6 基于單個大藍閃蝶鱗片的單細胞水平檢測平臺

該研究的最大意義在于，基于天然的大藍閃蝶鱗翅，通過簡單的表面處理方法，即可得到具有心肌力學自報告性能的傳感基底，通過直觀的顏色或光譜變化即可評估心肌細胞狀態，在生物學研究和藥物開發方面具有巨大的潛力。

參考文獻：

Chen, Z. Y.; Fu, F. F.; Yu, Y. R.; Wang, H.; Shang, Y. X.; Zhao, Y. J., Cardiomyocytes Actuated Morpho Butterfly Wings. Advanced Materials 2018, DOI: 10.1002/adma.201805431.

來源：高分子科學前沿