导语
大蓝闪蝶是一种大型热带蝶类，因其具有闪亮的结构色而受到广泛关注。这种绚丽的金属蓝色来源于闪蝶翅膀的鳞片上平行排列的纳米脊状多层分级结构，这种结构能够在其光子带隙中操纵光子的传播。受此启发，科学家们研制了一系列用于光子器件、分子传感、自清洁表面等的鳞翅仿生元件，但由于现有纳米加工能力和材料的局限性，闪蝶鳞翅在生物医学领域，特别是生物传感领域的应用尚无报道。近日，东南大学（Southeast University）的赵远锦教授课题组在该领域取得了突破性进展（Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201805431）。
赵远锦教授课题组简介
赵远锦教授课题组成立于2012年，依托于东南大学生物电子学国家重点实验室。目前课题组有教授1名，博士后5名，博士研究生10名，硕士研究生13名，本科生5名。课题组主要的研究方向包括：（1）微纳结构生物医用材料（通过微流控技术，结合微加工等手段，制备微纳米尺度的功能生物材料，用于药物缓释和组织工程等）；（2）仿生智能界面材料（以自然界中生物体为模型，开发具有仿生结构的功能界面材料，用于生物传感及界面浸润性研究）；（3）仿生器官芯片（基于微纳结构材料，结合微流控技术，构建心脏、肝脏、肿瘤等器官芯片，进行药物评估应用）。
赵远锦教授简介
赵远锦，教授，博士生导师。于2006年获得东南大学医学学士学位；2009-2010年在哈佛大学David A. Weitz院士团队学习；2011年毕业于东南大学，获工学博士学位，并留校工作。2012年破格晋升为副教授、博士生导师；2013年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”、江苏省“六大人才高峰”资助计划；2014年获“江苏省杰出青年基金”；2015年破格晋升为研究员、青年特聘教授，获“国家优秀青年基金”、“中国化学会青年化学奖”；2016年入选“江苏省333高层次人才”培养工程、担任SCI杂志Nanosci. Nanotechnol. Lett.副主编；2017年入选“中国新锐科技人物”；2018年入选“国家级中青年科技创新领军人才”，当选英国皇家化学学会会士（RSC Fellow）。在Science Robotics, Sci. Adv.（3篇）, Nat. Protoc., PNAS, Adv. Mater.（7篇）, J. Am. Chem. Soc.（5篇）, Angew. Chem. Int. Ed.（3篇）以及Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res., Mater. Today等杂志发表SCI论文100余篇，IF大于1000，论文被引3700余次（H因子为34）；研究成果获授权专利25项，其中转让2项。创新成果具有极大的产业转化价值。
前沿科研成果
闪蝶鳞翅上的心脏芯片
东南大学赵远锦课题组在仿生器官芯片领域做了一系列开创性工作。2017年，他们提出了一种基于微流控芯片纺织仿生螺旋纤维的方法，并将微米尺度的螺旋纤维集成到心脏芯片中，通过纤维螺距的规律性变化，结合螺旋纤维的弹性模量推算心肌细胞的收缩力大小，实现了细胞的力学传感（Adv. Mater., 2017, 29, 1605765）。2018年，他们首次将光子晶体的概念引入心脏芯片，基于柔性结构色材料的光学角度依赖性，开发了具有微生理可视化功能的心脏芯片。该芯片中的柔性结构色材料能随着心肌细胞的收缩和舒展发生相应的弯曲形变，导致材料本身的光子禁带发生变化，从而使芯片随着“心跳”显示出不同的动态色彩 （Sci. Robot., 2018, 3, eaar8580）。在上述前期工作基础上，课题组发现大蓝闪蝶鳞翅的表面结构不仅具有光子晶体特征，还具有诱导细胞定向生长的潜能，更重要的是其主要成分几丁质具有良好的生物相容性，为心肌细胞的定向生长和自主跳动奠定基础。心肌细胞在周期性跳动过程中的收缩和舒张带动鳞翅经历同步的弯曲形变，导致鳞翅结构色和光子禁带产生相应变化，即可达到心肌力学性能自报告的目的（如图1所示）。
图1 基于大蓝闪蝶鳞翅构建心脏芯片示意图
（来源：Adv. Mater.）
为了提升细胞传感基底的功能性，课题组对闪蝶鳞翅做了一系列改性和修饰。他们利用等离子体接枝技术，使大蓝闪蝶鳞翅表面由超疏水变为亲水，以适应细胞培养的需求；通过碳纳米管在脊状结构间隙之间的定向填充，增加鳞翅基底的电传导效率，提升心肌细胞的搏动一致性；通过在鳞翅表面覆盖生物相容性水凝胶薄层，进一步提高鳞翅基底的生物相容性（如图2和图3所示）。
图2 大蓝闪蝶鳞翅基底的处理过程
（来源：Adv. Mater.）
图3 用大蓝闪蝶鳞翅基底培养心肌细胞
（来源：Adv. Mater.）
随后他们发现，由于大蓝闪蝶鳞翅基底经过处理后具有较好的柔性，心肌细胞在自主收缩时带动鳞翅基底产生周期性弯曲。他们利用鳞翅结构色的角度依赖性，在固定观察位置记录不同弯曲角度下鳞翅的结构色光谱位置，这样可以直观地反映心肌细胞的跳动频率和产生收缩力的大小（如图4所示）。
图4 心肌细胞驱动的大蓝闪蝶鳞翅基底变色过程
（来源：Adv. Mater.）
随后，他们基于这种直观的颜色或光谱变化，将大蓝闪蝶鳞翅基底用作心脏药物的评估和筛选。通过鳞翅基底的结构色光谱波峰移动的频率和差值，药物对心肌细胞的作用结果可以即时展现（如图5所示）。值得一提的是，由于大蓝闪蝶鳞片和心肌细胞尺寸相似，基于鳞翅基底的单细胞水平力学研究也可以通过简单的光学传感实现（如图6所示）。
图5 含有心肌细胞的大蓝闪蝶鳞翅基底用作药物评估平台
（来源：Adv. Mater.）
图6 基于单个大蓝闪蝶鳞片的单细胞水平检测平台
（来源：Adv. Mater.）
总而言之，课题组基于天然的大蓝闪蝶鳞翅，通过简单的表面处理方法，得到具有心肌力学自报告性能的传感基底，通过直观的颜色或光谱变化即可评估心肌细胞状态，在生物学研究和药物开发方面具有巨大的潜力。
这一研究成果近期发表于Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.201805431），该论文作者为：陈卓玥，付繁繁，余筠如，王欢，商逸璇，赵远锦（通讯作者）。
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