浙江大学王毅及贺永团队：生物水凝胶微结构快速制造方法助力心肌细胞定向可控生长(2)
时间：2022-09-14 14:02 来源：EngineeringForLife 作者：admin 阅读：次
我们设计了平行凹槽、封闭圆环、曲线、分叉血管和10um-5mm的跨尺度结构以验证制备方案的可行性。结果表明TPGelMA的制作完整，而PGelMA上的微结构受损严重，难以分辨。在一个PDMS模具上反复多次脱模后模具上没有残留。因此，该方案脱模后无需清洗，大大缩短了工艺流程。为了对工艺窗口进行全面分析，选择力学性能依次提高但生物性能降低的GM30 ~ GM5M进行脱模试验。结果表明，TPGelMA在最低浓度，结构复杂度，深宽比三个方面的工作窗口都明显拓宽。
图4 水凝胶微结构的制造
热光交联可以最大程度地保持明胶基水凝胶的生物相容性，同时提高其机械强度。这是因为胶原蛋白分子链上的细胞粘附位点没有被破坏。为了验证这一点，将心肌细胞、肌腱干细胞和成纤维细胞接种于PGelMA和TPGelMA上，并在第3天进行活死分析。结果表明，不同的细胞对两种水凝胶均有良好的生物活性。为了验证微图纹水凝胶对细胞的接触引导作用，用肌腱干细胞构建了平行条纹图，用心肌细胞构建了环形图。可以看到细胞按照设计的图案排列，细胞骨架也沿着微结构的方向生长。而脱模失败的水凝胶则很难使细胞形成图案。
图5 生物相容性和细胞图案化效果
在水凝胶上的细胞图案更符合体内微环境。分析心肌细胞的跳动及功能蛋白表达。对照组心肌细胞无序生长，随机分布，细胞之间的连接也非常混乱。相比之下，实验组心肌细胞排列更有规律，扫描电子显微镜也清楚地显示，细胞连接形成一个更有序的网络。利用视频分析软件ImageJ对心肌细胞的跳动进行分析，发现对照组的跳动速度为24 BPM，比机体的跳动速度慢一个数量级。实验组心肌细胞的搏动速度为216 BPM。实验组不仅细胞的搏动速度提高了10倍，而且搏动一致性提高了很多。对照组细胞收缩时间、峰-峰时间、峰间时间、松弛时间更长。而且数据的标准差很大，说明细胞跳动的规律性很差。在实验组中，细胞跳动数据的标准差降低为十分之一左右。这表明，细胞不仅跳动得更快，而且跳动得更有规律。肌节α肌动蛋白染色分析显示，图案化心肌细胞具有肌节结构，随细胞纵向分布，这更符合生物体的实际情况。相比之下，对照组的肌动蛋白是无序的。这表明图案心肌细胞在结构和功能上更接近生物体的真实状态，对理解细胞行为和构建人工生物组织具有重要的启发意义。软脆水凝胶微结构制备方法在组织工程和再生医学领域具有重要的潜力，为仿生组织、芯片上器官、细胞行为学和微流体提供了一个通用的平台。
图6 图案化细胞的功能性
文章来源：
https://link.springer.com/article/10.1007/s42242-022-00207-1
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