2025年12月8日
为深入理解人类心脏功能，约翰霍普金斯大学工程师团队开发出一种3D记录设备，可包裹在实验室培养的心脏组织（即心脏类器官）外部，精准捕捉其电活动。
该研究由生物医学工程教授金德浩（Deok-Ho Kim）领导，团队成员包括生物医学工程专业校友、博士后研究员，以及来自大学生物分子与化学工程系的合作者。依托金德浩在组织工程与心脏模型领域的专业积累，团队成功研制出柔性"壳式"微电极阵列（MEA），能紧密贴合每个类器官。此设备使科学家首次实现对心脏组织三维空间内电信号传播的完整记录，突破了传统二维平面设备的技术局限。
研究成果已发表于《先进材料》期刊。
论文第一作者、博士生崔秀珍（Soo Jin Choi）表示："传统电极仅能记录表面信号，无法捕捉信号在组织内部的传播路径。我们的壳式MEA如同轻柔的笼子包裹类器官，让我们清晰观测每个信号如何扩散至整个迷你心脏。"
该MEA采用光学透明材料制成，遇液体后可自动折叠成型。研究团队在壳体顶部、侧面及底部精密布置16个微型电极，确保对类器官的全面监测。设备的透明特性使团队能同步记录钙成像与电活动数据。
崔秀珍补充道："这种双重能力让我们得以比对电信号与钙成像图像，验证记录结果准确反映类器官搏动。壳式MEA还支持长期监测，在不损伤组织的前提下持续追踪电活动模式超过一周。"
长期监测尤为关键，因为心脏类器官在培养环境中停留时间越长，其行为越接近真实成人心脏组织。与传统方法不同，这种微创技术让类器官保持在自然生长环境中，无需干扰其状态或使用强效化学试剂与染料。
崔秀珍强调："该系统最突出的优势在于提供心脏电信号在不同条件下的完整3D图景，如同从平面X光片升级为每心跳的3D电影。"
三维心脏活动监测能力为疾病建模、药物测试及精准医疗的个性化平台开辟了新可能。当使用异丙肾上腺素或E-4031等影响心脏的药物测试时，该模型成功检测到心率与信号强度的预期变化，证实其在药物安全研究中的应用潜力。
论文合著者、化学与生物分子工程教授大卫·格拉西亚斯（David Gracias）表示："我们的3D心脏监测系统为研究电信号在微小心脏组织中的传播提供了全新途径，有助于科学家揭示心律失常的起源机制，并推动心脏疾病的个性化治疗。"
展望未来，团队计划增加电极数量以提升分辨率，并已着手将技术拓展至脑类器官等其他器官模型。格拉西亚斯总结道："我们实质上为科学家打开了观察人类组织动态的窗口，这将彻底革新我们对心脏疾病的理解与治疗方式。"
合作者包括生物医学工程专业校友刘兆宇（Zhaoyu Liu，工程学院2025届硕士）、王涵文（Hanwen Wang，工程学院2019届硕士、2024届博士），以及博士后研究员杨飞宇（Feiyu Yang）和化学与生物分子工程博士后研究员德罗什·乔治（Derosh George）。
本研究获得美国国立卫生研究院、MSCRF博士后奖学金资助，同时得到国家科学基金会支持。约翰霍普金斯大学集成影像中心协助完成了设备3D打印部件的制造。
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