（一）研究背景與現存技術痛點

1. 研究出發點

2. 現有模型三大缺陷

2D 拉伸芯片：僅單層細胞，缺失三維微環境，無法模擬真實心肌空間結構；

心臟微絲（CMW）：組織尺寸、力學刺激不可精準調控，力學模式與成人心肌生理環境不符，且無集成微流控灌流給藥體系；

無力學刺激 3D 微流控心臟芯片：缺少心跳仿生力學負荷，心肌成熟度低、同步收縮差、電生理性能弱，藥物響應與人體差距大。

BiomimX器官芯片 【力學 + 流體一體化同步控制系統，市面多數芯片僅流體刺激，缺失組織張力維度。】

（二）核心創新：三層 PDMS 微流控心臟芯片裝置（本文原型，BiomimX 商用 uHeart/uBeat® 技術源頭）

1. 芯片三層結構（PDMS 軟光刻制備）

上層 + 中層：細胞培養腔室

中間柔性 PDMS 隔膜：分隔培養腔與底層驅動腔，受壓后向上形變，牽拉 3D 心肌微組織。

底層氣動驅動腔：接入電控氣壓系統，循環加壓 / 泄壓，模擬心臟收縮（收縮期）、舒張（舒張期）。

2. 力學刺激核心原理（論文突破性設計）

3. 裝置配套功能

7 個外接孔道：細胞進樣口、培養基儲液池、氣動壓力接口；

兼容熒光顯微鏡、共聚焦顯微鏡，可實時活體成像；

兼容外置碳電極，實現電起搏，量化心肌電生理功能；

可梯度給藥，用于藥物濃度 - 效應、心臟毒性測試。

4. 力學驗證（有限元 FEM + 實驗標定）

有限元仿真：主拉伸方向應變 10%–15%，垂直壓縮約 - 35%，通道軸向應變僅 ±2.5%，整體高度單軸；

微球追蹤實驗：實測應變 12.52%±3.90%，與數值模擬 13.60%±4.59% 高度匹配，證明力學刺激均勻可控。

（三）生物學實驗結果（新生大鼠心肌 + 人 iPSC 心肌兩套體系）

1. 細胞增殖與活力：力學刺激顯著提升細胞存活與增殖

培養 1 天：受力組 Ki67 增殖細胞占比 12.8%，靜態對照組僅 7.9%；

培養 5 天：受力組細胞活率 84.11%，靜態對照組僅 67.51%，循環應變大幅降低細胞凋亡。

2. 心肌細胞成熟度全面提升（大鼠心肌微組織）

結構成熟：受力組心肌呈長條桿狀肌細胞，肌小節結構更發達；細胞重塑胞外基質，替代原始纖維蛋白凝膠；透射電鏡可見完整閏盤、縫隙連接。

縫隙連接（Cx43）大幅上調：標準化 Cx43 陽性面積 45.4 μm2，靜態組僅 29.1 μm2，細胞間電傳導通路顯著增多。

成熟基因表達優化：MYH7/MYH6（成熟 / 未成熟肌球蛋白重鏈）比值顯著升高，幼態心肌標記 MYH6 表達下調，證明向成體心肌表型分化。

同步自發收縮：靜態組各區域跳動異步；力學刺激組全微組織同步搏動，縫隙連接提升電信號全域傳導效率。

電生理與收縮性能顯著優化

3. 人 iPSC 來源心肌微組織實驗（藥物篩選核心驗證）

成熟表型：6 天培養即可表達 cTnI、Cx43、N - 鈣粘蛋白，縫隙連接、粘附連接完整；2.5 天即可出現穩定同步自發搏動，遠優于傳統靜態 3D 模型；

電生理優勢：激發閾值僅 0.18 V/cm，遠低于大鼠靜態模型；

藥物響應驗證（異丙腎上腺素 β 激動劑）：

• 有電起搏時：0.1nM 低濃度即可提升收縮頻率；
• 無外源性起搏：10nM 起劑量依賴性加快心率，起效濃度遠低于傳統 2D / 靜態 3D 模型，和人體心臟藥理反應高度吻合；
  
  

應用潛力：可構建患者特異性 iPSC 心肌芯片，模擬遺傳性心臟病、藥物心臟毒性篩查。

（四）討論與核心結論

技術填：是當年集成可控生理單軸循環力學刺激 + 標準化 3D 微流控心肌組織 + 原位藥物灌流的心芯片平臺，解決 2D、CMW、靜態 3D 模型短板；

力學是心肌成熟關鍵開關：10%、1Hz 仿生拉伸可同時促進細胞增殖、存活、縫隙連接形成、肌小節成熟、電 - 機械同步耦合；

臨床轉化價值

• 替代動物模型，降低藥物研發成本、縮短周期；
• 精準預測藥物心臟毒性、心律失常風險；
• 構建患者特異性心肌疾病體外模型；

（五）論文原始裝置與 BiomimX 商用設備的溯源關系

5.1 BiomimX 動態器官芯片儀器復現、升級論文全部核心創新功能

1. 精準復刻論文核心仿生力學刺激系統（核心優勢）

標準化單軸循環應變輸出：論文手工氣動系統穩定性差、參數難以重復；BiomimX uBoX Pro 電控氣動系統精準輸出10%–15% 生理單軸拉伸、0.1–2Hz 可調頻率，匹配論文刺激參數，FEM 力學模型內置控制程序，全芯片應變均勻度和論文仿真數據高度一致，消除人工實驗誤差，數據可重復、可標準化發表。

仿生心動周期自動模擬：一鍵設置收縮 / 舒張循環，模擬生理、病理兩種力學負荷，用于肥厚型心肌病、心肌纖維化等病理模型構建，遠超論文原型手動調壓模式。

2. 標準化三層 PDMS 芯片耗材，解決實驗室自制芯片缺陷

懸垂微柱、三層腔室、灌流通道復刻論文設計；

批量生產尺寸統一，300μm 寬 3D 心肌培養通道，適配纖維蛋白、膠原等多種水凝膠；

7 個標準化流體接口，兼容自動灌流給藥，實現梯度藥物毒性篩選，落地論文藥物濃度響應實驗。

3. 一體化多維度檢測系統，拓展論文實驗能力

電生理實時記錄（uECG ）：芯片內置微電極，連續記錄心肌場電位、QT 間期，精準評估藥物致心律失常風險，論文僅外置電極單次檢測，無法實時動態監測；

全自動收縮運動追蹤軟件：自動計算收縮幅度、搏動頻率、同步性，批量輸出 ETH、MCR 等定量參數，替代論文人工 ImageJ 分析，大幅提升通量；

兼容共聚焦、活細胞長時間培養腔，支持 7 天連續力學刺激 + 活體熒光成像，穩定復現論文大鼠 / 人 iPSC 心肌成熟全套表征實驗。

4. 雙細胞體系標準化方案，直接復刻論文兩套心肌模型

新生大鼠原代心肌微組織：配套標準化細胞接種、凝膠包埋、培養流程，穩定復現細胞活力、Cx43 縫隙連接、肌球蛋白成熟標記實驗；

人 iPSC 心肌 uHeart 標準化模型：成熟方案實現 2.5 天同步搏動，異丙腎上腺素藥物濃度 - 效應曲線與論文匹配，用于新藥心臟安全評價、個體化疾病建模。

5.2 為什么心血管、藥物毒理、干細胞科研團隊需要用到 BiomimX 器官芯片儀器？

1. 解決自制芯片無法突破的科研瓶頸

實驗重復性差：實驗室手工制作芯片，每層鍵合、微柱尺寸、氣動壓力無法標準化，不同批次數據偏差極大，高分期刊審稿人質疑結果可信度；BiomimX 預制耗材 + 電控驅動系統，參數全數字化鎖定，數據可重復、支持多中心對照；

操作門檻：論文原型需要光刻、有限元仿真、氣動控制多學科技術，普通實驗室無潔凈室、無機械仿真人員難以搭建；BiomimX 開箱即用，配套完整實驗 SOP，即可復現本文全部頂級實驗結果；

通量極低：論文單芯片單次僅 1 組樣本；uBeat® 平臺單臺可同步培養不少于 3 組獨立 3D 心肌微組織，并行給藥、平行對照，大幅提升篩選效率。

2. 科研快速產出高分論文

干細胞心肌成熟機制研究：驗證力學信號調控縫隙連接、肌小節發育、心肌基因亞型轉換；

新藥臨床前心臟毒性篩選：精準捕捉低濃度藥物心率、QT 間期、收縮功能改變，替代動物模型，符合國際 3R 倫理準則；

人源化疾病芯片模型：患者 iPSC 心肌構建遺傳性心肌病（長 QT、肥厚型心肌病）體外模型，研究發病機制、篩選個體化治療藥物；

多器官聯合模型（LivHeart 肝心聯用芯片）：拓展論文單一心臟模型，模擬藥物肝臟代謝后心臟毒副作用，更貼合人體真實代謝過程。

3. 長期科研成本、周期全面優化

減少動物實驗：人 iPSC 模型替代大鼠、大動物心臟離體實驗，降低動物采購、飼養、倫理審批成本；

試劑 / 細胞耗材節約：芯片微尺度培養，細胞、藥物用量僅傳統培養皿 1/10；

縮短研發周期：無需耗時自制芯片、調試氣動系統，拿到設備即可啟動實驗，藥物篩選周期縮短 60%；

設備通用性強：uBeat® 平臺不局限心臟，可切換 uKnee 軟骨、uGut 腸道、uScar 纖維化模型，一套設備覆蓋力學相關多器官仿生研究，一機多用。

4. 行業與政策合規優勢

符合歐美 NMA 新方法學（NAM）標準，藥物研發數據可用于申報臨床前心臟安全評價；

全球頂尖藥企、高校（米蘭理工、劍橋 QMUL 等）均采購該平臺，本文通訊作者 Marco Rasponi、Paola Occhetta（BiomimX CEO）為設備技術背書，成果行業認可度高；

在中國國內有BiomimX授權技術服務商北京基爾比生物科技有限公司，提供裝機培訓、實驗方案定制、芯片耗材持續供應，售后技術團隊可直接指導復現本文全套實驗。

如果您的研究方向包含心肌組織工程、iPSC 心肌成熟、藥物心臟毒性、心血管疾病體外模型、微流控器官芯片，傳統靜態 3D、2D 拉伸、自制簡易芯片可能無法達到仿生精度與實驗可靠性。

附：

北 京 基 爾 比 生物 科技公司 主營產品：

AnimFree 體外類器官氣溶膠暴露裝置

Kirkstall 3D細胞類器官串聯式自動灌流系統，

BiomimX uBeat®多功能動態器官芯片系統

Kilby Gravity 微重力旋轉細胞類器官培養系統RCCS，

動植物/微生物等地面重力環境模擬裝置【可以定制】，

Kilby Bio 高通量類器官精密搖擺儀