健康与缺血状态下双向电学与光电接口 离体 大鼠心脏

我们开发了一种离体心脏模型，用于评估光电和电子材料在心脏刺激与传感中的应用，从而将实验室创新与转化型生物电子应用连接起来。通过提供一种可控的、非基因改造的离体心脏模型，我们填补了体外（in vitro）与体内（in vivo）研究之间的空白，可用于在真实组织中评估有线和无线生物电子材料。本方案可在完整跳动的心脏中快速、可重复地测试材料性能，将生理相关性与精确控制相结合，非常适合比较不同设备在刺激与传感性能上的差异。

我们探索可调节心脏功能的治疗材料，并利用缺血再灌注离体模型验证其在治疗心肌梗死中的有效性。首先，通过轻捏麻醉大鼠的一只足爪来确认全身麻醉是否生效，若无反应，则继续操作。随后，在胸部下方做一个5厘米长的切口，以打开胸腔。

使用剪刀小心地剪开膈肌，以暴露心脏和肺。接着剪开两侧肋骨，完全打开胸腔。用止血钳在胸骨处固定已打开的胸腔。

使用第二把止血钳从心脏下方夹住下腔静脉。用弯头钝头剪刀在止血钳下方尽可能靠近肋骨底部的位置剪断，以取出心脏。立即将心脏转移至一个装有冰冻 HBSS 的培养皿中。

用冰冻的HBSS完全填充套管和另一个独立的培养皿。将心脏转移至已预先加入缓冲液的培养皿中，用于切片。使用镊子或剪刀去除附着在心脏上的肺组织及其他结缔组织。

然后，轻轻按压心脏，沿血流路径追踪以定位主动脉。若主动脉弓得以保留，则在第一支升支动脉下方剪开。小心地插管主动脉。

用预充氧的工作液对朗根多夫装置进行预灌注。打开缓冲液流路，小心地将套管连接至灌注装置，确保无气泡进入系统。观察心脏在开始灌注后开始收缩。

现在，使用小剪刀剪除部分心房或心耳。在将球囊插入左心室之前，需将其完全放气。然后，使用连接的注射器向球囊内注水。

接下来，将BP 100压力探头连接至灌注管路，将充满水的球囊连接至左心室压力监测装置，分别用于监测左心室压力。使用IA-400D放大器放大所有信号输出，包括左心室压力和心电图（ECG）。监测HEPES Tyrode缓冲液的压力，并将其调节至80至100毫米汞柱（mmHg）的最优范围内。

使用注射器调节气球内水的体积，使左心室压力基线设定在约20毫米汞柱。通过将套管接地并根据用户偏好将电极导线放置在心脏的侧面、顶部或心尖处，连接心电图电极。用预热至37摄氏度的HEPES Tyrode缓冲液填充加热腔室。

将心脏浸入灌流室中，关闭旋塞以阻断缓冲液流动，诱导全心缺血。缺血30分钟后，打开旋塞恢复缓冲液流动，开始再灌注。再灌注持续45分钟，随后终止实验并进行梗死染色。

通过观察心率下降和不规则的ECG信号来验证缺血是否成功。为了在设备与心肌组织之间建立双向光电接口，将硅基光电薄膜放置于心脏上所需刺激部位，利用毛细作用力使其自动附着于心外膜。

将电极连接至RHD记录系统或兼容的电生理平台。随后，将柔性多电极阵列放置于离体心脏的心室表面。接下来，使用晶体管-晶体管逻辑信号对635纳米激光光源设置所需的频率和占空比。

将激光束聚焦至一个直径为一毫米的光斑，并将其对准硅膜。启动记录和刺激程序。逐渐增加激光强度，直至观察到心脏的持续性超速起搏。

为了在设备与心肌组织之间建立双向电极式电接口，将刺激电极以双电极构型连接，将多孔碳工作电极置于左心室壁，对电极置于右心室壁。使用恒电位仪输送方波电流信号，例如2毫安、脉冲持续时间为1毫秒的电流，直至实现心脏的有效起搏。已建立一种基于纳米多孔碳的平台，可用于心脏系统有效的电调控或电传感。

在1毫安、4赫兹刺激条件下，金电极和纳米多孔碳涂层金电极均实现了有效的超速起搏，其中纳米多孔碳组观察到更高的心电图振幅。两种电极均表现出阈值电流随脉冲持续时间延长呈指数下降的趋势。

在刺激电流为4毫安/平方厘米、持续时间为1毫秒的条件下，金电极有效起搏所需的阈值电压为1.32伏，而纳米多孔碳涂层电极为0.90伏。一种16通道纳米多孔碳接枝金电极显著增强了心外膜心电图信号的检测能力，与标准金电极相比，信噪比提高了8倍。通过实验后的TTC染色验证了缺血再灌注梗死的成功诱导，梗死心脏呈现出明显的白色区域，代表心肌损伤。

在实时监测过程中，缺血心脏表现出显著降低的心率。对缺血心脏进行的多电极阵列标测显示，心外膜的电传导速度下降，表现为信号延迟增加。