心脏通过推动血液循环进行营养物质输送和代谢废物清除来维持体内的平衡。心脏相关的疾病和不良事件,如心肌梗死、肥厚、心律失常和动脉粥样硬化等是世界范围内主要的死亡原因,也是研究治疗的重点。在过去的四十年中,药物上市后被撤回的案例中有三分之一就是因为对心脏有太大的毒副作用,这突出了当前药物测试方法在评估心脏效果方面的局限性。目前,常见使用心肌细胞的2D静态培养或动物模型研究心脏疗法和心脏毒性,但是局限性很大。2D培养过于简单,无法重现细胞方向性和心脏组织生理（如电信号,机械力等）,而动物模型通常无法准确预测人的药物反应并且花费巨大。因此,构建新型体外人类心脏模型用于改善现有药物评估方法的不足已经迫在眉睫。微流控芯片已被业界公认为当今对哺乳动物细胞及其微环境进行精准操控的主流平台,其目标是通过干细胞、生物材料、组织工程、微流控和微加工等技术的交叉融合,在芯片上构建可模拟人体组织器官的生理或病理特性的人体类器官,用于新药研发和医学基础研究等,有望作为“人体芯片”而取代现有的细胞和动物实验。心脏芯片是“人体芯片”中一个不可或缺的组成部分,因为心脏毒副作用是药物研发过程中的一个必须评估的内容,而目前已报道的心脏芯片相关研究虽有不少进展,但仍有许多需要解决的问题。本论文利用学科交叉的优势,整合微流控技术、干细胞技术、生物材料学以及组织工程学的研究方法和思路,构建集电刺激实施及心肌电生理信号检测于一体的微流控芯片系统,在芯片内制备三维仿生水凝胶支架,对人诱导多能干细胞分化的心肌细胞进行动态培养,通过适当的电刺激形成功能性的心肌组织,实现了对心肌收缩功能和电生理功能的评价。本文的具体研究内容如下:（1）基于明胶水凝胶构建了培养心肌细胞（CMs）的生物支架。实验证实该支架有利于新生大鼠心肌细胞的成熟,包括细胞面积快速增大、辅肌肌动蛋白（α-actinin）的良好组织、间隙连接蛋白（Cx43）表达和钙离子调控成熟以及相关成熟基因表达上调。通过在水凝胶表面引入微图案结构诱导心肌细胞排列并形成拉长的结构和促进同步收缩。进一步添加氧化石墨烯（GO）可以增强培养心肌细胞的细胞排列和搏动速度,培养的心肌细胞在接种后48h内就达到同步收缩,并持续跳动达3个月之久。（2）将明胶水凝胶的优异特性与外部电刺激相结合,证实适当的电刺激可以调节细胞跳动行为并诱导心肌细胞成熟度的显著提高。观察到电刺激改善了肌节的组织并促进了Cx43的表达以及与成熟相关基因表达的上调（Actn1,Gja1,Atp2a2,Ryr2）。而且,电刺激加速了细胞内钙的释放和摄取动力学,从而增加了心肌细胞的跳动速度和对外部起搏的频率响应。（3）开发了一种多功能的心脏芯片装置,该装置可以长期动态培养人类诱导多能干细胞（iPSC）来源的心肌细胞,通过连续的电刺激促进iPSC-CMs的成熟,并可以原位评估心肌组织的生理功能。该平台成功地将铂（Pt）电极用于体外电刺激心肌细胞,并与金（Au）电极阵列相结合用于实时获取心肌组织电生理信号。iPSC-CMs在芯片腔室中原位制备的明胶水凝胶上培养。结果表明,电刺激显著促进了心肌细胞的成熟,并在芯片装置中产生了功能成熟的心肌组织。与未受刺激的未成熟心肌组织相比,电刺激的成熟心肌组织对维拉帕米（Verapamil）和异丙肾上腺素（Isoproterenol）的药物治疗反应与成人相似,表明该芯片心脏平台应用于药物疗效检测和心脏毒性筛选的可靠性。本论文目的是为之后心脏芯片的应用开发奠定理论实验基础和数据支撑,证明了它用于药物临床前初筛的可能性,包括对心脏和非心脏类药物的心脏毒性检测。建立心脏疾病模型用于评估药物的有效性,评估由其它疾病引起的心脏损伤及治疗方法的有效性等。