心臟疾病是全球范圍內導致死亡的主要原因之一，建立能夠準確模擬人體心臟功能的體外模型對于藥物研發和疾病機制研究至關重要。然而，心肌細胞具有獨特的機械敏感性，其收縮和電信號傳導高度依賴于周圍細胞外基質的力學特性。健康心肌組織的細胞外基質楊氏模量約為10千帕，這種柔軟性為有效的心臟收縮和舒張周期提供了必要的順應性。當細胞外基質發生病理性硬化時，離子運輸受損，收縮力減弱。現有的生物電子器件，如基于聚二甲基硅氧烷的柔性電子設備，其模量通常達到兆帕級別，與天然心肌組織之間存在顯著的力學失配。這種機械不兼容性限制了心肌細胞在體外模型中的自然收縮，導致電信號保真度下降，進而影響藥物測試和疾病建模的可靠性。

為了彌合組織與電子界面之間的機械差距，研究人員在《科學進展》雜志上發表了一項創新性研究，開發了一種超柔性生物電子界面平臺。該平臺被稱為PULSE，其設計靈感來源于心臟細胞外基質的力學特性，旨在為心肌細胞提供一個生理相關的微環境。PULSE采用雙層結構，將柔軟的凝膠基質與嵌入式金微電極陣列的超薄納米薄膜相結合，實現了與天然心臟組織相匹配的模量。這一設計不僅顯著降低了界面的機械不匹配，還允許長期、高保真地監測心臟電生理活動。

研究團隊在平臺開發過程中運用了幾項關鍵技術。他們通過調整聚二甲基硅氧烷前體比例制備出模量約為5千帕的軟凝膠基質，并利用光刻技術在450納米厚的苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯/聚二甲基硅氧烷納米薄膜上圖案化高分辨率導電電路。分子動力學模擬被用于研究納米薄膜厚度對導電性的分子尺度影響，而原子力顯微鏡和掃描電子顯微鏡則用于表征金電路的形貌和裂紋行為。在生物學驗證方面，研究人員使用新生小鼠心肌細胞進行培養，通過牽引力顯微鏡分析細胞收縮時的機械變形，并利用免疫熒光染色評估細胞成熟度標志物如連接蛋白43和α-輔肌動蛋白的表達。此外，他們還通過小干擾RNA基因沉默技術構建Scn5a基因敲低的心律失常模型，以評估平臺在病理條件下的敏感性。

在優化PULSE的剛度和導電性方面，研究人員發現雙層結構的楊氏模量為10千帕，斷裂應變略高于200%，結合了凝膠的柔軟性和納米薄膜的耐久性。電極為寬度約100微米，導電率約10，000 S/cm，具有超薄穩定的封裝。研究顯示，納米薄膜厚度對機電性能有顯著影響，450納米厚度在柔軟性和導電性之間達到了最佳平衡。阻抗測試表明，即使在30%應變下，電氣性能仍保持穩定，遠高于生理相關水平。

關于心肌細胞在PULSE上的收縮和電信號發放，與常用的聚二甲基硅氧烷和玻璃器件相比，PULSE上的心肌細胞收縮和電信號輸出均顯著增強。細胞頂端和器件位移測量顯示，只有PULSE發生了與心肌細胞收縮相當的變形。電信號記錄表明，PULSE上的峰峰值幅度比剛性器件高出近兩倍，而搏動頻率和場電位持續時間相對一致。免疫染色分析進一步證實，PULSE上的心肌細胞表現出更成熟的肌節結構和連接蛋白43表達，表明細胞成熟度更高。

作為藥物篩選平臺，PULSE在評估去甲腎上腺素和E4031等心血管藥物時表現出更高的敏感性。去甲腎上腺素處理后，PULSE上的心肌細胞收縮和電信號振幅顯著增加，而剛性器件上的反應較弱或不明顯。E4031作為一種鉀通道阻滯劑，在PULSE上引起場電位持續時間延長和信號振幅降低，與臨床觀察一致，表明PULSE能夠更準確地反映藥物效應。

在心臟功能障礙模型中的應用顯示，PULSE對Scn5a基因敲低引起的心律失常變化最為敏感。鈉離子通道基因沉默導致心肌細胞收縮和電信號減弱，在PULSE上這種效應最為明顯，表明該平臺能夠靈敏地檢測病理生理變化。

綜上所述，PULSE平臺通過最小化組織-電子界面的機械失配，為機械敏感電生理研究提供了前所未有的保真度和精確度。其與天然心臟細胞外基質相匹配的力學特性支持心肌細胞的自然收縮和成熟，產生更強的機械和電信號。在藥物篩選和疾病建模方面，PULSE表現出更高的敏感性和可靠性，能夠更準確地模擬體內心臟功能。該研究不僅推進了心臟體外模型的發展，還為下一代生物電子應用開辟了新的可能性，特別是在個性化醫療和精準藥物開發領域具有重要應用前景。