心脏是人体的重要器官之一,其推动血液流动,向全身器官及组织提供充足的血流量,以供应营养物质、维持细胞正常代谢。当心脏发生病变时,会造成组织及器官功能受损,甚至引发个体的死亡。心脏疾病已成为全球人类死亡的主要原因之一,且呈逐年递增的趋势。目前,针对心脏疾病的新药开发面临的主要问题是缺乏有效的临床前模型,传统的二维细胞培养和动物模型无法准确预测人类的生理学反应及功能。为了满足对有效的体外心脏模型的需求,心脏芯片应运而生。心脏芯片是器官芯片的一种,是一类利用微流体技术整合和控制生化、物理等因素的平台,其目的是通过在芯片上模拟生物体环境进行心肌细胞的培养及功能化组织的构建,从而在体外重现心脏组织的动态微环境和生理相似性,并用于体外药物检测、疾病建模、生物机制研究等。结构色是由周期性纳米结构与光相互作用而产生的颜色,广泛存在于自然界动植物中,在信息传递、伪装等方面发挥作用。结构色因其颜色鲜艳、耗散损失少、不易褪色等特点得到广泛研究,而结构色水凝胶就是其中的重要应用形式之一。通过选择、修饰、复合不同的功能单体,可以制备得到具有不同电学、热学、光学响应的结构色水凝胶,并将其应用于光学元件、检测传感、可穿戴设备等方面。本论文以柔性结构色材料作为核心传感元件,利用其光学特性,构建可视化心脏芯片。具体研究内容如下:（1）基于天然结构色材料大蓝闪蝶鳞翅,通过对其进行表面修饰、碳纳米管填充、甲基丙烯酸酯化明胶水凝胶薄层覆盖等处理,获得可用于心肌细胞培养的柔性结构色基底。（2）基于单分散二氧化硅纳米粒子,利用密堆积与非密堆积两种胶体晶体组装模式,通过复合碳纳米管层、还原氧化石墨烯、银纳米颗粒等功能性材料,制备还原氧化石墨烯掺杂的条纹反蛋白石结构色水凝胶、光控可修复的复合反蛋白石结构色水凝胶、碳纳米管层复合的非密堆积结构色水凝胶、抗菌性非密堆积结构色水凝胶与具有异质结构的复合结构色水凝胶微纤维。（3）以表面改性的大蓝闪蝶鳞翅、还原氧化石墨烯掺杂的条纹反蛋白石结构色水凝胶薄膜、碳纳米管层复合的非密堆积结构色水凝胶薄膜与异质结构的复合结构色水凝胶微纤维为细胞培养基底,并作为核心传感元件构建可视化心脏芯片。利用基底的表面结构实现细胞取向诱导,增强心肌收缩一致性;通过柔性结构色基底的光学特性实现心肌细胞的动态可视化监测。（4）向基于柔性结构色基底的心脏芯片内泵送药物,通过光学信号反映心肌细胞收缩频率及收缩力的变化,实现药物效果的检测与评估;通过基于光谱变化的药物反应验证了还原氧化石墨烯掺杂的条纹水凝胶对人源诱导多能干细胞的心肌分化具有正向影响;通过调控培养基底的尺寸实现单细胞水平的传感。