3D打印弹性生物超材料应用于细胞调控

2024-06-04474

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生物超材料的有效弹性性能对于在适合的超材料基质上进行细胞培养的影响很大。最近，使用类似硅弹性体材料进行双光子光刻微纳加工取得了突破进展，实现了创建符合细胞大小和变形性标准的微结构生物超材料。在这项研究中，科学家利用双光子聚合技术，在使用IP-PDMS光敏树脂制造的超材料上培养人类间充质干细胞（hMSCs）。这些生物超材料的有效弹性性能显著影响了细胞在细胞和分子层面的反应。此概念验证实验为设计未来的生物超材料提供了基础，作为通过晶胞排列来实现有效的机械性能来理解和控制干细胞及其他细胞类型的机械行为的潜在工具。

对比天然材料，新型超材料在力学、电磁学/光学和传输方面展现出了罕见的非凡特性，应用广泛，有望成为“生物超材料”。然而，想要使用它们来控制活细胞的行为仍是材料科学中的一项挑战。如今，来自KIT、海德堡大学和京都大学的科研人员已经解决了这一挑战，并成功生产出足够柔软的悬浮超材料，其晶胞尺寸小于细胞尺度。他们使用Nanoscribe Photonic Professional打印系统，通过双光子聚合技术制造了这些由柔软的硅弹性体类光敏树脂制成的网络，并由两堵刚性墙固定。

双光子聚合技术（2PP）作为Nanoscribe高分辨率3D打印的关键技术，可实现制造尺寸明显小于干细胞的超材料晶胞。这种创新方法不仅展示了基于2PP技术3D打印系统的高精度打印性能，还促进了二维（2D）超材料架构的复杂结构制造。这种高精度制造为设计具有高度各向异性特性的定制材料奠定了基础。

通过主动细胞收缩实现必要变形的关键在于材料的选择。研究人员选择Nanoscribe IP系列中最柔软的光敏树脂IP-PDMS，这种材料的体积杨氏模量为15.3 MPa，具有非凡的弹性特征—比流行的IP-S光刻胶低三个数量级。这一选择使得在保持足够小的特征尺寸以实现小超材料周期的同时，实现了所需的柔软机械行为。IP-PDMS与Nanoscribe 3D微纳加工技术的协同作用在生命科学、微流体和微机械领域的创新应用中具有巨大的潜力。

使用双光子聚合 3D 打印制造的 2D 超材料结构的实验系统示意图，并由 TPETA 制成的刚性壁支撑。柔性IP-PDMS生物超材料在细胞牵引力的影响下发生变形。图片来源：Karlsruhe Institute of Technology (KIT) + Heidelberg University

新型双光子聚合生物超材料通过晶胞排列产生的有效机械性能对细胞行为进行机械调节。研究人员创造了一类新型的生物超材料作为精确定义模型，用于操控细胞力学。为了评估不同的细胞反应，使用TPETA和IP-PDMS制造了三种超材料结构（蝴蝶结、砖石和蜂窝形），它们都表现出类似的聚合物表面积分数。识别生物超材料的有效弹性性能对培养在相容超材料基质上的细胞和细胞分子行为的重大影响为后续研究奠定了基础。这一概念验证既是未来生物超材料系统设计的动力，也是科研跨出的第一步，可作为理解和潜在机械控制干细胞和其他细胞类型的行为的有力工具。

Nanoscribe的新一代Quantum X bio生物打印系统，可实现在最优实验条件下进行科研活动，包括精确的温度和湿度控制、HEPA过滤的气流以及预混空气/CO2的可选连接，确保更高速度、更高质量和更可靠的打印结果。

Quantum X bio 提供从亚细胞到毫米级的3D 生物打印功能，可满足生命科学研究的多种需求。该系统可在无菌细胞培养皿、显微镜载玻片或微流控芯片内进行打印，以适应研究人员不同要求。同时，该系统还可搭配不同种类的光刻胶，或根据需求灵活定制打印材料，也可以选择使用第三方树脂材料。