中科院沈陽自動化所：通過雙光子聚合技術制造具有周期性微結構的超材料
雙光子聚合技術（Two-Photon Polymerization, TPP）是一種高精度的3D微納加工技術，它通過精確控制微結構的加工來實現對材料的微納尺度制造。雙光子聚合技術能夠精確控制微結構的加工，實現高精度、高分辨率的三維微納結構制造，廣泛應用于微光學、微流體、生物醫學和微機電系統等領域。
近日，基于微型3D打印結構的機械超材料對細胞排列和遷移的影響是一個前沿的研究方向，中國科學院沈陽自動化研究所的于海波教授團隊利用雙光子聚合技術制造出具有周期性微結構的機械超材料，并以此為平臺研究細胞在不同力學環境下的行為反應。他們的研究為生物醫學領域開辟了新的研究方向，并證明了利用機械超材料研究細胞行為的可行性。借助MNTech微納領航的分享，本期3D科學谷與谷友共同領略關于3D打印這一前沿領域的突破。
▲論文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202311951
基于微型3D打印結構的機械超材料對細胞排列和遷移的影響的研究，為生物醫學領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揮重要作用。”
中國科學院沈陽自動化研究所的于海波教授團隊在Small上發表了相關論文，他們利用先進的雙光子聚合技術，制造出具有周期性微結構的機械超材料，并以此為平臺研究細胞在不同力學環境下的行為反應，為生物醫學領域開辟了新的研究方向。
細胞的行為和命運與其所處的微環境息息相關, 其中細胞外基質 (ECM) 的物理和化學特性發揮著至關重要的作用。ECM 的拓撲結構，特別是其機械特性，如剛度和泊松比, 深刻影響著細胞的粘附、增殖、分化和遷移。為了更好地理解細胞與 ECM 之間的復雜相互作用, 科學家們一直在努力開發能夠精確模擬細胞微環境的體外模型, 例如微圖案化表面、微流控裝置和3D支架等。近年來, 機械超材料以其獨特的力學性能和可定制的結構設計, 逐漸成為構建體外模型的新興平臺, 為細胞力學研究提供了強大的工具。
然而，構建能夠精確模擬 ECM 機械特性的機械超材料并非易事。首先，制造具有精確可控微觀結構的超材料需要高精度和高分辨率的加工技術。傳統的制造方法，如光刻和軟光刻，在制造復雜的三維結構方面存在局限性，難以滿足研究需求。其次，機械超材料需要精確模擬 ECM 的力學性能，如剛度和泊松比，才能準確地模擬細胞的微環境。這對于材料的選擇和結構設計提出了很高的要求。此外，細胞與機械超材料之間的相互作用是一個復雜的過程，受多種因素影響，包括材料的表面特性、力學性能和拓撲結構等，需要進行系統深入的研究。
為了克服這些挑戰，教授團隊采用雙光子聚合技術來制造具有周期性微結構的機械超材料。他們在配備了油浸物鏡 (63×, NA = 1.4) 的Nanoscribe Photonic Professional GT直接激光寫入設備上，以IP-Dip光刻膠為材料，實現了高精度和高分辨率的 3D 打印，從而可以精確控制微結構的幾何形狀和尺寸。研究人員巧妙地設計了兩種不同的微結構：拉脹結構和 Auxetic 結構。拉脹結構在拉伸時會橫向膨脹，而 Auxetic 結構在拉伸時會橫向收縮。這兩種結構具有不同的泊松比，可以模擬不同類型的 ECM，為研究細胞在不同力學環境下的行為反應提供了理想的平臺。
為了探究這些機械超材料對細胞行為的影響，研究人員將人骨髓間充質干細胞 (hMSCs) 培養在這些超材料上，并仔細觀察和分析了細胞的排列和遷移行為。實驗結果表明，hMSCs 在拉脹結構上表現出明顯的排列現象，細胞沿著拉脹結構的方向排列生長，而在 Auxetic 結構上則沒有觀察到明顯的排列現象。這說明細胞能夠感知并響應不同機械超材料的力學特性，并調整自身的形態和行為。更進一步的研究發現，拉脹結構可以促進 hMSCs 的遷移，這可能是由于拉脹結構產生的應力梯度引導了細胞的遷移方向。
這項研究成果不僅證明了利用機械超材料研究細胞行為的可行性，也為開發新的體外模型和組織工程支架提供了新的思路。通過精確控制微結構的幾何形狀和尺寸，可以調節機械超材料的力學性能，從而影響細胞的排列和遷移等行為。未來，研究人員可以設計和制造更復雜的機械超材料，例如模擬體內組織結構的多層級結構，以更真實地模擬 ECM 環境。此外，還可以將生物活性分子或藥物結合到機械超材料中，以進一步調控細胞行為，例如促進細胞分化或抑制細胞凋亡等。
當然，這項研究也存在一些局限性。例如，目前的研究主要集中在細胞的排列和遷移行為，未來還需要進一步研究機械超材料對細胞增殖、分化等行為的影響。此外，還需要進行體內研究來驗證機械超材料在組織再生和修復方面的應用潛力。
這項研究，為利用機械超材料研究細胞行為開辟了新的途徑，并為開發新的生物醫學應用提供了重要的啟示。相信隨著研究的深入，機械超材料將在生物醫學領域發揮越來越重要的作用。
來源
MNTech微納領航 l
基于微型3D打印結構的機械超材料對細胞排列和遷移的影響
(責任編輯：admin)
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