拉伸中还能连续记录电生理？TBI体外建模的关键一步

——BMSEED MEASSuRE 细胞力电耦合刺激电生理采集系统

在创伤性脑损伤的体外模型里，一个反复出现的尴尬是：损伤前的基线来自一个样本，损伤后的响应来自另一个样本。在心肌力电耦合的课题里，拉伸和电生理记录往往被拆成两台设备、两个时间点。研究者真正想要的是同一块组织、同一个电极位置，在拉伸前、拉伸中、拉伸后连续读到的功能变化——但这个看起来并不苛刻的要求，恰恰是传统工具很难满足的。BMSEED 的 MEASSuRE 平台，以及它背后的可拉伸微电极阵列技术，正是从这个缺口进入的。

一、它要回答的科研问题，以及在这个问题上的位置

力–电耦合研究的核心困难不在于“拉伸”本身，也不在于“电生理记录”本身，而在于两者在时间和空间上的对齐。刚性MEA提供稳定的电生理接口，但力学环境是静态的；常规拉伸装置能施加可控形变，但拉伸过程中的电生理测量和活细胞成像难以同步完成。结果是，损伤后的功能变化很难与同一个样本的自身基线比较，组间变异吞掉了许多本应显著的效应。

MEASSuRE 的解法落在耗材层面。sMEA（可拉伸微电极阵列）以PDMS硅胶为基底，金微电极嵌入弹性基质中，电极随组织一起弹性形变。组织切片或解离细胞培养在sMEA上，拉伸时电极与细胞保持同步位移，因而能够在机械刺激之前、之中、之后从同一位置记录电生理信号。BMSEED 是唯一商业化供应“可拉伸微电极阵列 + 同步机械拉伸 + 细胞外电生理记录”整合方案的厂商；sMEA 技术源于普林斯顿大学，由 BMSEED 获得独家商业化许可推进。它的不可替代性不在于“能拉伸”，而在于把力学变量和功能读出放进了同一个空间坐标和时间窗口里——这是回答“机械力如何改变电活动、电活动又如何反馈于力学响应”这类问题的前提条件。

二、典型用途与典型使用场景

MEASSuRE 的用途围绕力学、电生理、成像三个可独立或同步运行的模块展开。Mini 型号可放入培养箱中长期运行，以低应变、低应变率覆盖心肌搏动、肺呼吸样周期性拉伸，适合功能成熟追踪和慢性力学适应研究。Premium 和 X 型号面向病理性拉伸：单次高速脉冲拉伸模拟冲击性 TBI，周期性拉伸模拟反复脑震荡，损伤前后的网络活动、爆发率、同步化指标和突触可塑性终点从同一张 sMEA 上读出。

在药物评价场景中，MEASSuRE 把“损伤—给药—突触可塑性功能读出”放在同一个工作流里，使神经保护候选化合物的药效能够以 LTP 等功能终点直接评价，而不只是依赖细胞存活或形态学指标。向 3D 模型延伸是近年最明确的增长方向：3D 口袋式 pMEA 通过物理包裹增加电极与类器官的接触面积，微流控 mMEA 把力–电联合干预带入共培养和器官芯片体系。心脏类器官、脑类器官和 hiPSC 来源心肌细胞的力电表征，正在成为与神经创伤并列的核心应用场景。

三、已支持的研究方向与应用案例摘要

sMEA/MEASSuRE 已支持的同行评审研究方向覆盖神经创伤（TBI、SCI、反复脑震荡）、突触可塑性与神经药理学、心脏力电耦合与类器官电生理、机械转导、药物神经保护筛选，以及向 3D 微流控和疾病交叉模型延伸的临床前平台开发。

案例一：TBI 后海马网络活动的改变。 Kang 等（2015，Journal of Neurotrauma）在 sMEA 上培养器官型海马切片，损伤前后从同一电极位置记录网络活动，系统展示了 TBI 对海马长时程网络同步化的影响。该工作是 sMEA 路线在神经创伤领域的奠基性验证之一。

案例二：皮层网络损伤的时间–严重度依赖性。 Sullivan 等（2024，Annals of Biomedical Engineering）利用 sMEA 对原代皮层神经元网络施加梯度拉伸损伤，在损伤前及损伤后 1、24、72 小时记录放电率、同步性和簇放电特征。轻度损伤在 24–72 小时内回到基线，中度损伤表现为“短暂兴奋—慢性抑制—网络碎片化”的级联，重度损伤则走向不可逆解体。Firestein 实验室是 MEASSuRE 的 beta 测试站点之一，这一独立产出是对平台可重复性的直接同行验证。

案例三：LTP 与 LTD 在损伤后同时受损。 Dwyer 等（2025，Biomedical Physics & Engineering Express）利用 sMEA 在体外拉伸损伤模型中测量突触可塑性，发现 LTP 和 LTD 在损伤后 24 小时均显著受损。该研究明确利用了 sMEA “在损伤前和损伤后多个时间点记录同一组织自发活动”的能力，把平台的应用从网络活动描述推进到突触机制层面的功能终点。

案例四：心脏类器官的力电表征。 Patino-Guerrero 等（2023，ACS Biomaterials Science & Engineering）将 sMEA 用于人 iPSC 来源同基因型心脏类器官的开发与电生理表征，展示了 sMEA 在 3D 心脏模型记录中的适用性。

国内用户案例：中国医科大学。 2024 年 12 月，教育部重大慢病发病机制及综合诊疗医药基础研究创新中心设备更新项目中，中国医科大学采购“细胞组织拉伸耦合电生理及实时成像系统”，结果公告明确标注品牌 Bmseed、规格型号 Meassure，评审总得分 99.92 分。这是当前可公开核实的最明确的国内重点用户采购记录，另外，国内如济宁医学院、贵州医科大学、哈尔滨工业大学等单位也采购了该设备。

四、优势亮点

技术路径的独占性与十余年连续性。 BMSEED 2012 年成立于美国亚利桑那州，创始人 Oliver Graudejus 在普林斯顿大学期间开发了 sMEA 的核心技术原型。公司自 2014 年起持续获得 NIH SBIR 资助，累计约 600 万美元；2014 年 Phase I 用于 sMEA 商业化制造工艺开发，2018 年 Phase II（约 167 万美元）将 sMEA 与配套硬件集成为 MEASSuRE 完整系统，验证在哥伦比亚大学 Morrison 实验室完成，并在三个独立实验室完成原型评估。2022 年再获 Fast Track SBIR 向 3D 微流控和类器官平台延伸。这一“专利—系统集成—3D 延伸”的路径，意味着技术路线经历了十余年的外部评审检验和持续迭代，而不是短期产品化包装。

文献广度与独立作者群。 sMEA/MEASSuRE 相关产出覆盖 Journal of Neurotrauma、Annals of Biomedical Engineering、Experimental Neurology、ACS Biomaterials Science & Engineering、Biomedical Physics & Engineering Express、Journal of Neural Engineering 等期刊，并在 Advanced Science 等更高影响力平台上出现 sMEA 技术路线向微针 3D 类器官接口延伸的工作。Morrison 实验室、Firestein 实验室、Nikkhah 实验室等独立作者群持续产出，而非仅由厂商内部主导，是同行认可度最直接的指标。

用户端与审稿人端的双重验证。 NIH Phase II 阶段的独立站点覆盖 TBI、心肌再生医学和 SCI 三个方向；美国国防部相关 blast injury 研究机构和生物技术公司也对 MEASSuRE 耗材有持续采购。Firestein 实验室作为 beta 测试站点的身份、以及在论文中公开声明这一关系，说明审稿人群体对该平台的技术可信度有明确认知。

数据架构与合规衔接。 电生理模块支持最高 128 通道记录与刺激，刺激电流覆盖 10 nA–2.55 mA，采集固件支持多模态时间同步采样，结构化数据流可在经验证的软件工作流下支持 GLP 机械生物学研究的审计就绪要求，并涉及 21 CFR Part 11 相关数据完整性框架。系统本身定位于临床前体外研究，GLP/GMP 环境下的使用需要用户结合所在机构的 QA/QC 体系完成方法学确认——这一数据架构为有合规需求的用户提供了可衔接的技术基础。

核心进口性能与外围本地化适配。 电生理采集关键性能保持进口核心部件的规格水平，力学模块为闭环 PID 音圈驱动，成像最高 2,000 fps。外围配件、耗材供应、本地技术支持和实验方法开发由世联博研及久易科仪承接，sMEA 支持环氧乙烷、紫外和高压灭菌，国内用户可以就近获得耗材补给、协议调优和售后响应。

五、产品核心性能与核心参数

MEASSuRE 三个型号的差异集中在力学模块。Mini 的应变主要应用为低应变生理拉伸、应变率上限较低，可放入培养箱中长期运行。Premium 和 X 的应变上限较高，应变率上限也更高，面向 TBI、SCI 和高速冲击损伤建模。三个型号均支持径向、线性和自定义应变场，运动控制为闭环 PID，运动协议可通过宏编程自定义。

电生理模块支持最高 128 通道的记录与刺激，刺激电流范围几乎适合所有细胞生理应用范围，兼容 sMEA、刚性玻璃 MEA、3D 口袋式 pMEA 和微流控 mMEA。成像模块最高 2,000 fps，支持明场和荧光。sMEA 以 PDMS 为基底，金微电极嵌入弹性基质，采用微裂纹金膜技术，在超过 50% 应变下仍保持导电性，可兼容倒置显微镜高倍率成像。三个模块既可独立作为单机使用，也可同步集成为完整 MEASSuRE 系统。

六、典型应用文献

以下文献按期刊影响力/引用关注度优先、年份次之排列，聚焦于直接使用 sMEA/MEASSuRE 平台、且可公开追溯的同行评审论文，重点标注该系统在每项研究中的具体作用。

文献编号：1

文献中英文标题： Stretch-Induced Injury Affects Cortical Neuronal Networks in a Time- and Severity-Dependent Manner / 拉伸诱导损伤以时间和严重程度依赖性方式影响皮层神经元网络

作者/通讯作者： Dylan Sullivan, Brandon J. Vaglio, Marina M. Cararo-Lopes, Ruben D. Ponce Wong, Oliver Graudejus, Bonnie L. Firestein（通讯作者：Bonnie L. Firestein）

期刊： Annals of Biomedical Engineering

年份： 2024

IF： 5.4

研究领域： 神经创伤；TBI 原发损伤；皮层神经元网络电生理

研究目的 / 科学问题： 系统研究物理性拉伸损伤对皮层神经元网络电生理活动的影响是否具有时间和严重程度的依赖性。

实验方法： 原代大鼠皮层神经元网络培养于 sMEA 上，施加梯度单轴拉伸损伤（轻/中/重度），在损伤前及损伤后 1、24、72 小时记录放电率、同步性和簇放电特征。

核心结果： 轻度损伤后 1 小时放电增强，24–72 小时回到基线；中度损伤表现为同步性骤降、网络效率下降和持续抑制；重度损伤导致电活动几乎消失、神经元死亡和网络解体。损伤前同步性越高的网络，损伤后崩溃越重。

结论： sMEA 在该研究中承担了“损伤前基线 + 损伤后多时间点连续追踪”的核心功能，使同一培养物内部的剂量–时间关系得以被量化。没有可拉伸电极与组织的同步形变，这一设计无法成立；该工作也直接展示了 MEASSuRE 在 TBI 严重度分层研究中的不可替代位置。

文献编号：2

文献中英文标题： NTS-105 decreased cell death and preserved long-term potentiation in an in vitro model of moderate traumatic brain injury / NTS-105 在中度创伤性脑损伤体外模型中减少细胞死亡并保护长时程增强

作者/通讯作者： Mary Kate R. Dwyer, Nicolas Amelinez-Robles, Isabella Polsfuss, Keondre Herbert, Carolyn Kim, Nevin Varghese, Tom J. Parry, B. Buller, T. A. Verdoorn, C. B. Billing Jr, Barclay Morrison III（通讯作者：Barclay Morrison III）

期刊： Experimental Neurology

年份： 2024

IF： 约 5.0–5.5

研究领域： 神经药理学；TBI 神经保护；突触可塑性电生理

研究目的 / 科学问题： 在中度 TBI 体外模型中评价新型神经甾体 NTS-105 的神经保护效果，以 LTP 作为功能终点。

实验方法： sMEA 上建立中度 TBI 体外模型，损伤后给予 NTS-105，记录 LTP 并量化细胞死亡。

核心结果： 损伤后给予 10 nM NTS-105 可减少细胞死亡，并防止 LTP 缺损，且不 adverse 影响未损伤培养物的神经元活动。

结论： sMEA 将“损伤—给药—突触可塑性功能读出”整合在同一体外平台上，使神经保护候选化合物的药效能够以电生理功能终点直接评价，而不再依赖跨样本的结构指标比较。

文献编号：3

文献中英文标题： Development and Characterization of Isogenic Cardiac Organoids from Human-Induced Pluripotent Stem Cells Under Supplement Starvation Regimen / 补充饥饿方案下人诱导多能干细胞来源同基因型心脏类器官的开发与表征

作者/通讯作者： Alejandra Patino-Guerrero, Ruben D. Ponce Wong, Vikram D. Kodibagkar, Wuqiang Zhu, Raymond Q. Migrino, Oliver Graudejus, Mehdi Nikkhah（通讯作者：Mehdi Nikkhah）

期刊： ACS Biomaterials Science & Engineering

年份： 2023

IF： 约 5.5–5.8

研究领域： 心脏组织工程；hiPSC 来源心脏类器官；电生理表征

研究目的 / 科学问题： 开发同基因型 hiPSC 来源心脏类器官，验证 sMEA 作为 3D 心脏类器官电生理记录平台的适用性。

实验方法： 在 sMEA 上培养心脏类器官，进行补充饥饿处理，记录自发电活动，结合形态学与分子表征评估功能状态。

核心结果： sMEA 能够从 3D 心脏类器官中获取稳定的电生理信号；补充饥饿引起的功能变化与 sMEA 记录到的电活动改变一致。

结论： sMEA 在该研究中承担了 3D 心脏类器官功能读出的核心角色，将平台的应用从 2D 神经模型拓展到心脏类器官的力电耦合和药物评价场景。

文献编号：4

文献中英文标题： Long-term potentiation and long-term depression are both impaired after in vitro stretch injury measured with stretchable microelectrode arrays / 体外拉伸损伤后长时程增强与长时程抑制均受损：可拉伸微电极阵列测量

作者/通讯作者： Mary Kate Ryan Dwyer, Isabella Polsfuss, Keondre Herbert, Nevin Varghese, Barclay Morrison III（通讯作者：Barclay Morrison III）

期刊： Biomedical Physics & Engineering Express

年份： 2025

IF： 约 1.6–2.0

研究领域： 神经创伤；突触可塑性；sMEA 电生理测量

研究目的 / 科学问题： 系统测量拉伸损伤后 LTP 和 LTD 两个方向的突触可塑性是否同时受损。

实验方法： sMEA 上培养器官型海马组织，施加受控拉伸损伤，损伤后 24 小时记录 LTP 和 LTD 的诱导与维持。

核心结果： LTP 和 LTD 在损伤后 24 小时均显著受损，表明损伤对突触可塑性的损害不局限于单一方向。

结论： sMEA 使损伤前后突触可塑性的同点位、同器件测量成为可能。作者在方法中明确利用 sMEA 在损伤前和损伤后多个时间点记录同一组织的自发活动，这一能力直接支撑了双向可塑性损伤的比较设计。

文献编号：5

文献中英文标题： Alterations in Hippocampal Network Activity after In Vitro Traumatic Brain Injury / 体外创伤性脑损伤后海马网络活动的改变

作者/通讯作者： Woo Hyeun Kang, Wenzhe Cao, Oliver Graudejus, Tapan P. Patel, Sigurd Wagner, David F. Meaney, Barclay Morrison III（通讯作者：Barclay Morrison III）

期刊： Journal of Neurotrauma

年份： 2015

IF： 约 3.7

研究领域： 神经创伤；TBI 体外模型；海马网络电生理

研究目的 / 科学问题： 利用可拉伸微电极阵列在体外重现 TBI 的机械损伤条件，探究机械拉伸对海马切片网络活动的影响。

实验方法： 器官型海马切片培养于 sMEA 上，施加受控机械拉伸，损伤前后从同一电极位置记录电生理活动，分析网络同步化指标。

核心结果： sMEA 能够在拉伸前后从同一位置稳定记录海马切片电生理信号；TBI 导致海马长时程网络同步化发生可量化的改变。

结论： sMEA 在该研究中提供了“损伤前—损伤后同点位电生理记录”的可行路径，是该技术路线在神经创伤领域的奠基性验证之一，为后续 MEASSuRE 平台的实验范式确立了可信度基线。

文献编号：6

文献中英文标题： A soft and stretchable bilayer electrode array with independent functional layers for the next generation of brain machine interfaces / 面向下一代脑机接口的独立功能层软可拉伸双层电极阵列

作者/通讯作者： Oliver Graudejus, Cody Barton, Ruben D. Ponce Wong, Cami C. Rowan, Denise Oswalt, Bradley Greger

期刊： Journal of Neural Engineering

年份： 2020

IF： 约 3.7–4.0

研究领域： 在体神经界面；sMEA 长期稳定性

研究目的 / 科学问题： 评估软可拉伸双层电极阵列在在体脑机接口应用中的长期记录稳定性和生物相容性。

实验方法： 在健康动物模型中进行长期在体植入，记录局部场电位，评估电极在动态脑组织环境中的信号稳定性。

核心结果： 软可拉伸电极阵列在长期在体记录中保持稳定，验证了 sMEA 技术从体外向在体神经界面延伸的可行性。

结论： 该工作将 sMEA 的弹性电极设计从体外力电耦合场景延伸到在体神经记录，为 MEASSuRE 平台所依赖的 sMEA 技术提供了长期稳定性的独立证据，也展示了 BMSEED 技术路线在神经工程领域的横向延展能力。

说明：BMSEED 官方 Catalog 设有 “Selected Peer-Reviewed Publications” 专节，完整目录涵盖 sMEA 在在体神经界面、微流控和材料器件层面的产出。上述 6 篇聚焦于直接使用 sMEA/MEASSuRE 进行力电耦合功能研究的代表性文献；如需穷尽式目录，可查阅 BMSEED 官方 Publications 页面或向世联博研/久易科仪索取最新版 Catalog。

七、科研用户常见问题

Q：MEASSuRE 和传统细胞拉伸仪的根本区别是什么？

传统拉伸仪多数只能在拉伸结束后观察结果，拉伸过程中的多通道电生理记录不兼容。MEASSuRE 的核心是 sMEA：电极随组织一起弹性形变，因此拉伸前、中、后都能从同一位置记录电生理信号，把“给力学”和“读功能”放进同一个时间窗口。

Q：sMEA 和普通刚性 MEA 或“柔性”MEA 有什么不同？

sMEA 的基底是 PDMS 弹性体，电极嵌入硅胶中并随基底同步形变，提供的是柔软的、动态匹配的力学环境，而不只是“可弯曲”的静态柔性。刚性 MEA 在拉伸后容易出现电极脱壁和运动伪影，而 sMEA 的设计目标正是消除电极–组织力学失配带来的记录失真。

Q：可以只用电生理模块或只用力学模块吗？

可以。力学、电生理、成像三个模块均可作为单机独立购买和运行，用户可以根据实验阶段逐步扩展为完整 MEASSuRE 系统。

Q：Mini、Premium 和 X 怎么选？

Mini 面向生理性慢拉伸和培养箱内长期运行，适合心肌搏动、肺呼吸样条件和慢性力学适应研究。Premium 和 X 面向病理性高速拉伸，X 的应变速率能力更高，用于需要极快速形变的冲击损伤和 blast injury 模型。选型时以官方最新 Catalog 为准。

Q：sMEA 耗材能重复使用吗？怎么灭菌？

sMEA 可重复使用，支持环氧乙烷、紫外和高压灭菌。具体使用次数取决于清洗和维护条件，建议在订购时与世联博研确认耗材库存和灭菌兼容性。

Q：GLP/GMP 合规性怎么理解？

系统本身定位于临床前体外研究。数据采集固件支持多模态同步采样和结构化数据流，可在经验证的软件工作流下支持 GLP 审计就绪和 21 CFR Part 11 相关框架，但实际 GLP/GMP 使用需要用户所在机构的 QA/QC 体系完成方法学确认，不能等同于“GMP 认证设备”。

Q：国内有可参考的用户和本地支持吗？

中国医科大学 2024 年 12 月采购 MEASSuRE，是目前可公开核实的最新国内重点用户案例。国内由世联博研（北京）科技有限公司作为 BMSEED 中国总代理，北京久易科仪科技有限公司作为世联博研授权合作的二级代理，共同提供销售、技术支持和实验方法服务。世联博研在细胞力学加载、组织工程和力电耦合设备领域有超过十年的代理与技术积累，能够协助用户完成从方案设计、耗材适配到数据工作流的本地化落地。

八、总结

MEASSuRE 的不可替代性不在于“再添一台拉伸仪”，而在于 sMEA 把力学加载与电生理记录在时空上真正对齐。对于需要回答“机械力如何改变电活动、电活动又如何反馈于力学响应”的实验室，它是当前商业化工具中路径最短、变量控制最直接的选择之一。国内 985 高校的公开独立中标记录仍在积累中。中国医科大学案例是现阶段最可靠的采购参照，而世联博研作为中国总代理的专业纵深和久易科仪作为二级代理的本地触达，构成了从选型论证到日常运行之间那段容易被低估的支持层。

世联博研（北京）科技有限公司是 BMSEED 品牌中国总代理经销商，北京久易科仪科技有限公司是世联博研授权合作的 BMSEED 品牌中国二级代理经销商。 世联博研自2010年起专注生物力学、3D打印与力学生物学前沿科研设备的引进与技术服务，是中国力学学会团体会员单位，在细胞力学加载、组织工程和力电耦合领域积累了十余年的方法开发与本地化服务经验。对于 MEASSuRE 这类需要把力学参数、电生理协议和耗材适配放在一起调优的平台，总代理层面的专业纵深直接决定了用户从装机到产出第一篇论文之间的路径长度。