利用光刻技術、軟蝕刻技術和有限元分析方法，丁建東教授課題組設計和制備了適用于細胞力學拉伸研究的雙層聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控裝置。該裝置的工作原理為：當芯片側腔抽真空時，其體積減小，導致中間流體通道的薄膜發生拉伸，進而對黏附于薄膜上的細胞施加周期性拉伸作用。通過將PDMS微流控芯片與活細胞工作站、外源智能化真空泵聯用，同時實現了細胞實時觀察、細胞培養和細胞拉伸三大功能。

圖1  利用雙層PDMS微流控裝置探究拉伸頻率對彈性高分子薄膜表面細胞行為的影響

丁建東教授課題組以此PDMS微流控芯片為研究平臺，驗證了細胞在合適條件下有垂直于拉伸方向取向的特性。

圖2  周期性拉伸下的細胞取向

作者還借助源于建筑學中的張拉整體結構模型（tensegrity model）對材料表面的細胞處于周期性單軸拉伸時取向和能量之間的關系及其時間依賴性進行了推演。理論計算不僅得出了垂直取向的結論，而且對細胞取向有序度隨時間的演化也給出了與實驗一致的動力學趨勢。這是為數不多的可對粗粒化的細胞模型進行處理、且給出解析解的理論工作。

隨后系統探究了人骨髓間充質干細胞（hMSC）在不同拉伸頻率和幅度的循環拉伸作用下的細胞取向。在證實細胞取向存在臨界拉伸幅度的同時，發現細胞取向具有臨界響應頻率（fc），且fc的值具有幅度依賴性，對于低幅度拉伸而言，需要更高的拉伸頻率方能誘使細胞取向現象發生。

圖3  不同幅度的周期性拉伸作用下細胞序參量隨時間的演化及細胞取向的臨界響應頻率

丁建東教授課題組發現盡管臨界響應頻率與幅度相關，而拉伸幅度及對應的fc的乘積，對于2%、5%和10%三個幅度組而言，均處于同一水平。于是，在臨界響應頻率的基礎上，進一步提出了臨界拉伸速率的概念（Rc = πAfc），成功地實現了頻率和幅度對細胞取向影響的統一。通過對大量文獻原始數據進行歸納分析，證實了Rc對于絕大多數細胞類型具有普適性。

理論模型中涵蓋了細胞骨架、尤其是應力纖維。丁建東團隊進一步對文獻中有關應力纖維動態自組裝的實驗數據進行了分析，發現應力纖維的周轉時間范圍恰好與上述臨界拉伸速率的倒數相吻合，因此認為應力纖維的超分子鏈松弛過程可能是誘導細胞取向發生的關鍵。也就是說，應力纖維的周轉時間決定了使細胞取向的臨界拉伸速率，當拉伸幅度固定時進而決定了臨界響應頻率。

圖4  臨界拉伸速率和臨界響應頻率對單軸周期性拉伸誘導的細胞取向的潛在影響

以上相關成果發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。詳見：Tianjiao Mao#, Yingning He, Yexin Gu, Yuqian Yang, Yue Yu, Xinlei Wang, Jiandong Ding*, Critical frequency and critical stretching rate for reorientation of cells on a cyclically stretched polymer in a microfluidic chip, ACS Appl. Mater. Interfaces, 13, 12: 13934-13948 (2021)。論文的第一作者是復旦大學高分子科學系、聚合物分子工程國家重點實驗室碩士生毛天驕，通訊作者為該國重主任丁建東教授。

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c21186

相關進展