具有異質(zhì)性和動態(tài)性的賦予細胞支架已被認為是用于細胞培養(yǎng)的下一代生物模擬支架的關(guān)鍵要素。在自然界中，組織和器官中的細胞嵌入細胞外基質(zhì)（ECM）中，這是影響細胞組織和功能的生化和生物物理線索的異質(zhì)動態(tài)組合。在人工細胞培養(yǎng)系統(tǒng)中重現(xiàn)這種異質(zhì)性和動態(tài)性有助于時空控制細胞行為，這對于基礎(chǔ)細胞生物學(xué)研究，組織工程，再生醫(yī)學(xué)和藥物開發(fā)等非常有價值。在過去的十年中，已經(jīng)做出了許多努力來創(chuàng)建具有可重新配置機制的人造細胞支架。具有時空可控機械性能的水凝膠被開發(fā)為智能基質(zhì)，可用于仿生培養(yǎng)系統(tǒng)以精確控制細胞行為。然而，在這些矩陣上的細胞行為與動態(tài)力學(xué)之間的關(guān)系仍然需要進一步的理解。關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是難以就地在重新配置期間測量矩陣的剛度排列及其變化。
為解決這一問題，東南大學(xué)杜鑫副研究員和顧忠澤教授團隊通過將結(jié)構(gòu)顏色特性引入光可重構(gòu)水凝膠，結(jié)合兩個不同的光子特性，可以用紫外線調(diào)節(jié)水凝膠的剛度，并通過可見范圍內(nèi)水凝膠的反射變化研究剛度的變化。由于光的獨特特性，可以時空控制水凝膠的機械調(diào)節(jié)。與目前的方法相比，該方法是非侵入性的，并且在類似性能下速度更快。此外，由于可以在顯微鏡下同時觀察和記錄細胞形態(tài)和基質(zhì)力學(xué)（基質(zhì)顏色），因此可以輕松解決這種智能水凝膠上的細胞-基質(zhì)相互作用。相關(guān)工作以“Photo-responsive photonic hydrogel: in situ?manipulation and monitoring of cell scaffold?stiffness”為題發(fā)表在《Materials Horizons》上。
光子水凝膠的設(shè)計和表征
通過將單分散的二氧化硅納米粒子引入可重構(gòu)水凝膠中來形成水凝膠。首先合成香豆素的丙烯酸酯單體（CA單體），使用水和DMSO的混合溶劑，在單分散二氧化硅納米粒子存在下，將CA單體，丙烯酸酰胺和PEGDA 700共聚制備光子水凝膠，在水凝膠形成過程中，二氧化硅納米粒子在水凝膠內(nèi)部形成周期性結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致光子帶隙反射特定波長的光。
包含光子水凝膠片的微流體芯片的設(shè)計和表征
由于微流體裝置具有模仿人體灌注系統(tǒng)的能力，因此通常被用作細胞培養(yǎng)設(shè)備。但是，作為密封系統(tǒng)，操縱和監(jiān)測微流控內(nèi)部細胞支架的狀態(tài)非常困難，因為它們的固體覆蓋物（通常由PMMA，PMDS或玻璃組成）阻止了細胞外環(huán)境與細胞之間的接觸。研究人員設(shè)計并制造了包含三個均勻的光子水凝膠片的微流體芯片。將微流控芯片中的水凝膠用254 nm UV照射2分鐘或5分鐘以改變其性質(zhì)。重新配置后，通過顏色擬合方法來測量水凝膠的剛度因為紫外線照射可以使聚合物網(wǎng)絡(luò)去交聯(lián)，所以紫外線照射后水凝膠的硬度下降。
圖案化和監(jiān)測光子水凝膠的剛度
由于光是時空可控的，因此用光重新配置支架可以精確地確定光子水凝膠支架每個點的剛度。使用光子水凝膠，可以通過其顏色排列識別并計算重構(gòu)水凝膠上的剛度分布。通過分析水凝膠的照片，提取其色相排列，然后將色相調(diào)整為剛度值來獲得剛度分布。該過程可以在10分鐘內(nèi)以非常高的分辨率完成。因此，具有膠體晶體特征，可以在數(shù)分鐘內(nèi)以高分辨率收集經(jīng)過調(diào)整的水凝膠支架上的剛度及其分布，而不會侵入細胞培養(yǎng)系統(tǒng)，這使其成為實時監(jiān)測支架狀態(tài)的理想方法。
光子水凝膠作為細胞培養(yǎng)微陣列中可設(shè)計支架的應(yīng)用
由于其可重構(gòu)的性質(zhì)，光子水凝膠還可用于生成用戶可設(shè)計的細胞培養(yǎng)微陣列。研究人員使用3D打印機制作了圓柱孔陣列，并通過將單體混合物添加到陣列中然后與365 nm UV聚合形成水凝膠陣列。獲得了均勻的水凝膠陣列。該微陣列芯片可以重新配置為254 nm紫外線照射，以針對不同的細胞培養(yǎng)實驗調(diào)整水凝膠玻片的硬度。同時，重新配置后的水凝膠的硬度可以根據(jù)其表觀顏色輕松評估。根據(jù)需要，也可以在同一微陣列上的不同區(qū)域生產(chǎn)具有不同剛度分布的水凝膠陣列。這使得有可能在細胞培養(yǎng)實驗之前通過需求確定微陣列上每個點的機械性能。
總結(jié)
通過將膠體晶體特征引入可重構(gòu)水凝膠中，研究人員開發(fā)了一種能夠改變并報告其機械性能的智能水凝膠支架?？梢岳霉庥|發(fā)的可逆香豆素二聚反應(yīng)來控制水凝膠的狀態(tài)，重新配置后可以通過顏色跟蹤和計算變化。光線的獨特功能使水凝膠的特性可以在時間上重新配置，并且水凝膠的狀態(tài)可以實時監(jiān)控的?在顯微鏡下輕松解決細胞行為和基質(zhì)特性，有助于了解動態(tài)和異質(zhì)操作過程中的細胞-基質(zhì)相互作用，從而使光子水凝膠成為在各種孵育系統(tǒng)（例如單片器官）中進行細胞生物學(xué)研究的出色支架設(shè)備。
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https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/mh/d0mh01019g
