中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所:通過(guò)雙光子聚合技術(shù)制造具有周期性微結(jié)構(gòu)的超材料
雙光子聚合技術(shù)(Two-Photon Polymerization, TPP)是一種高精度的3D微納加工技術(shù),它通過(guò)精確控制微結(jié)構(gòu)的加工來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的微納尺度制造。雙光子聚合技術(shù)能夠精確控制微結(jié)構(gòu)的加工,實(shí)現(xiàn)高精度、高分辨率的三維微納結(jié)構(gòu)制造,廣泛應(yīng)用于微光學(xué)、微流體、生物醫(yī)學(xué)和微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域。
近日,基于微型3D打印結(jié)構(gòu)的機(jī)械超材料對(duì)細(xì)胞排列和遷移的影響是一個(gè)前沿的研究方向,中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的于海波教授團(tuán)隊(duì)利用雙光子聚合技術(shù)制造出具有周期性微結(jié)構(gòu)的機(jī)械超材料,并以此為平臺(tái)研究細(xì)胞在不同力學(xué)環(huán)境下的行為反應(yīng)。他們的研究為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域開(kāi)辟了新的研究方向,并證明了利用機(jī)械超材料研究細(xì)胞行為的可行性。借助MNTech微納領(lǐng)航的分享,本期3D科學(xué)谷與谷友共同領(lǐng)略關(guān)于3D打印這一前沿領(lǐng)域的突破。
▲論文鏈接:https://doi.org/10.1002/smll.202311951
基于微型3D打印結(jié)構(gòu)的機(jī)械超材料對(duì)細(xì)胞排列和遷移的影響的研究,為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了新的視角和工具,有望在組織工程、藥物篩選、生物傳感器等方面發(fā)揮重要作用。”
中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的于海波教授團(tuán)隊(duì)在Small上發(fā)表了相關(guān)論文,他們利用先進(jìn)的雙光子聚合技術(shù),制造出具有周期性微結(jié)構(gòu)的機(jī)械超材料,并以此為平臺(tái)研究細(xì)胞在不同力學(xué)環(huán)境下的行為反應(yīng),為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域開(kāi)辟了新的研究方向。
細(xì)胞的行為和命運(yùn)與其所處的微環(huán)境息息相關(guān), 其中細(xì)胞外基質(zhì) (ECM) 的物理和化學(xué)特性發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。ECM 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),特別是其機(jī)械特性,如剛度和泊松比, 深刻影響著細(xì)胞的粘附、增殖、分化和遷移。為了更好地理解細(xì)胞與 ECM 之間的復(fù)雜相互作用, 科學(xué)家們一直在努力開(kāi)發(fā)能夠精確模擬細(xì)胞微環(huán)境的體外模型, 例如微圖案化表面、微流控裝置和3D支架等。近年來(lái), 機(jī)械超材料以其獨(dú)特的力學(xué)性能和可定制的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 逐漸成為構(gòu)建體外模型的新興平臺(tái), 為細(xì)胞力學(xué)研究提供了強(qiáng)大的工具。
然而,構(gòu)建能夠精確模擬 ECM 機(jī)械特性的機(jī)械超材料并非易事。首先,制造具有精確可控微觀結(jié)構(gòu)的超材料需要高精度和高分辨率的加工技術(shù)。傳統(tǒng)的制造方法,如光刻和軟光刻,在制造復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)方面存在局限性,難以滿足研究需求。其次,機(jī)械超材料需要精確模擬 ECM 的力學(xué)性能,如剛度和泊松比,才能準(zhǔn)確地模擬細(xì)胞的微環(huán)境。這對(duì)于材料的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了很高的要求。此外,細(xì)胞與機(jī)械超材料之間的相互作用是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,受多種因素影響,包括材料的表面特性、力學(xué)性能和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等,需要進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。
為了克服這些挑戰(zhàn),教授團(tuán)隊(duì)采用雙光子聚合技術(shù)來(lái)制造具有周期性微結(jié)構(gòu)的機(jī)械超材料。他們?cè)谂鋫淞擞徒镧R (63×, NA = 1.4) 的Nanoscribe Photonic Professional GT直接激光寫(xiě)入設(shè)備上,以IP-Dip光刻膠為材料,實(shí)現(xiàn)了高精度和高分辨率的 3D 打印,從而可以精確控制微結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸。研究人員巧妙地設(shè)計(jì)了兩種不同的微結(jié)構(gòu):拉脹結(jié)構(gòu)和 Auxetic 結(jié)構(gòu)。拉脹結(jié)構(gòu)在拉伸時(shí)會(huì)橫向膨脹,而 Auxetic 結(jié)構(gòu)在拉伸時(shí)會(huì)橫向收縮。這兩種結(jié)構(gòu)具有不同的泊松比,可以模擬不同類(lèi)型的 ECM,為研究細(xì)胞在不同力學(xué)環(huán)境下的行為反應(yīng)提供了理想的平臺(tái)。
為了探究這些機(jī)械超材料對(duì)細(xì)胞行為的影響,研究人員將人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞 (hMSCs) 培養(yǎng)在這些超材料上,并仔細(xì)觀察和分析了細(xì)胞的排列和遷移行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,hMSCs 在拉脹結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出明顯的排列現(xiàn)象,細(xì)胞沿著拉脹結(jié)構(gòu)的方向排列生長(zhǎng),而在 Auxetic 結(jié)構(gòu)上則沒(méi)有觀察到明顯的排列現(xiàn)象。這說(shuō)明細(xì)胞能夠感知并響應(yīng)不同機(jī)械超材料的力學(xué)特性,并調(diào)整自身的形態(tài)和行為。更進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),拉脹結(jié)構(gòu)可以促進(jìn) hMSCs 的遷移,這可能是由于拉脹結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力梯度引導(dǎo)了細(xì)胞的遷移方向。
這項(xiàng)研究成果不僅證明了利用機(jī)械超材料研究細(xì)胞行為的可行性,也為開(kāi)發(fā)新的體外模型和組織工程支架提供了新的思路。通過(guò)精確控制微結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸,可以調(diào)節(jié)機(jī)械超材料的力學(xué)性能,從而影響細(xì)胞的排列和遷移等行為。未來(lái),研究人員可以設(shè)計(jì)和制造更復(fù)雜的機(jī)械超材料,例如模擬體內(nèi)組織結(jié)構(gòu)的多層級(jí)結(jié)構(gòu),以更真實(shí)地模擬 ECM 環(huán)境。此外,還可以將生物活性分子或藥物結(jié)合到機(jī)械超材料中,以進(jìn)一步調(diào)控細(xì)胞行為,例如促進(jìn)細(xì)胞分化或抑制細(xì)胞凋亡等。
當(dāng)然,這項(xiàng)研究也存在一些局限性。例如,目前的研究主要集中在細(xì)胞的排列和遷移行為,未來(lái)還需要進(jìn)一步研究機(jī)械超材料對(duì)細(xì)胞增殖、分化等行為的影響。此外,還需要進(jìn)行體內(nèi)研究來(lái)驗(yàn)證機(jī)械超材料在組織再生和修復(fù)方面的應(yīng)用潛力。
這項(xiàng)研究,為利用機(jī)械超材料研究細(xì)胞行為開(kāi)辟了新的途徑,并為開(kāi)發(fā)新的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供了重要的啟示。相信隨著研究的深入,機(jī)械超材料將在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
來(lái)源
MNTech微納領(lǐng)航 l
基于微型3D打印結(jié)構(gòu)的機(jī)械超材料對(duì)細(xì)胞排列和遷移的影響
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