光响应性光子水凝胶使原位操作和细胞支架刚度监测成为可能

具有异质性和动态性的赋予细胞支架已被认为是用于细胞培养的下一代生物模拟支架的关键要素。在自然界中,组织和器官中的细胞嵌入细胞外基质(ECM)中,这是影响细胞组织和功能的生化和生物物理线索的异质动态组合。在人工细胞培养系统中重现这种异质性和动态性有助于时空控制细胞行为,这对于基础细胞生物学研究,组织工程,再生医学和药物开发等非常有价值。在过去的十年中,已经做出了许多努力来创建具有可重新配置机制的人造细胞支架。具有时空可控机械性能的水凝胶被开发为智能基质,可用于仿生培养系统以精确控制细胞行为。然而,在这些矩阵上的细胞行为与动态力学之间的关系仍然需要进一步的理解。关键的挑战是难以就地在重新配置期间测量矩阵的刚度排列及其变化。

为解决这一问题,东南大学杜鑫副研究员和顾忠泽教授团队通过将结构颜色特性引入光可重构水凝胶,结合两个不同的光子特性,可以用紫外线调节水凝胶的刚度,并通过可见范围内水凝胶的反射变化研究刚度的变化。由于光的独特特性,可以时空控制水凝胶的机械调节。与目前的方法相比,该方法是非侵入性的,并且在类似性能下速度更快。此外,由于可以在显微镜下同时观察和记录细胞形态和基质力学(基质颜色),因此可以轻松解决这种智能水凝胶上的细胞-基质相互作用。相关工作以“Photo-responsive photonic hydrogel: in situ manipulation and monitoring of cell scaffold stiffness”为题发表在《Materials Horizons》上。

​东南大学顾忠泽团队《Mater. Horiz.》:光响应性光子水凝胶使原位操作和细胞支架刚度监测成为可能

光子水凝胶的设计和表征

通过将单分散的二氧化硅纳米粒子引入可重构水凝胶中来形成水凝胶。首先合成香豆素的丙烯酸酯单体(CA单体),使用水和DMSO的混合溶剂,在单分散二氧化硅纳米粒子存在下,将CA单体,丙烯酸酰胺和PEGDA 700共聚制备光子水凝胶,在水凝胶形成过程中,二氧化硅纳米粒子在水凝胶内部形成周期性结构,导致光子带隙反射特定波长的光。

​东南大学顾忠泽团队《Mater. Horiz.》:光响应性光子水凝胶使原位操作和细胞支架刚度监测成为可能
光子水凝胶的设计和表征

 

包含光子水凝胶片的微流体芯片的设计和表征

由于微流体装置具有模仿人体灌注系统的能力,因此通常被用作细胞培养设备。但是,作为密封系统,操纵和监测微流控内部细胞支架的状态非常困难,因为它们的固体覆盖物(通常由PMMA,PMDS或玻璃组成)阻止了细胞外环境与细胞之间的接触。研究人员设计并制造了包含三个均匀的光子水凝胶片的微流体芯片。将微流控芯片中的水凝胶用254 nm UV照射2分钟或5分钟以改变其性质。重新配置后,通过颜色拟合方法来测量水凝胶的刚度因为紫外线照射可以使聚合物网络去交联,所以紫外线照射后水凝胶的硬度下降。

​东南大学顾忠泽团队《Mater. Horiz.》:光响应性光子水凝胶使原位操作和细胞支架刚度监测成为可能
包含光子水凝胶片的微流体芯片的设计和表征

 

图案化和监测光子水凝胶的刚度

由于光是时空可控的,因此用光重新配置支架可以精确地确定光子水凝胶支架每个点的刚度。使用光子水凝胶,可以通过其颜色排列识别并计算重构水凝胶上的刚度分布。通过分析水凝胶的照片,提取其色相排列,然后将色相调整为刚度值来获得刚度分布。该过程可以在10分钟内以非常高的分辨率完成。因此,具有胶体晶体特征,可以在数分钟内以高分辨率收集经过调整的水凝胶支架上的刚度及其分布,而不会侵入细胞培养系统,这使其成为实时监测支架状态的理想方法。

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图案化和监测光子水凝胶的刚度

 

光子水凝胶作为细胞培养微阵列中可设计支架的应用

由于其可重构的性质,光子水凝胶还可用于生成用户可设计的细胞培养微阵列。研究人员使用3D打印机制作了圆柱孔阵列,并通过将单体混合物添加到阵列中然后与365 nm UV聚合形成水凝胶阵列。获得了均匀的水凝胶阵列。该微阵列芯片可以重新配置为254 nm紫外线照射,以针对不同的细胞培养实验调整水凝胶玻片的硬度。同时,重新配置后的水凝胶的硬度可以根据其表观颜色轻松评估。根据需要,也可以在同一微阵列上的不同区域生产具有不同刚度分布的水凝胶阵列。这使得有可能在细胞培养实验之前通过需求确定微阵列上每个点的机械性能。

​东南大学顾忠泽团队《Mater. Horiz.》:光响应性光子水凝胶使原位操作和细胞支架刚度监测成为可能
光子水凝胶作为细胞培养微阵列中可设计支架的应用

 

总结

通过将胶体晶体特征引入可重构水凝胶中,研究人员开发了一种能够改变并报告其机械性能的智能水凝胶支架。可以利用光触发的可逆香豆素二聚反应来控制水凝胶的状态,重新配置后可以通过颜色跟踪和计算变化。光线的独特功能使水凝胶的特性可以在时间上重新配置,并且水凝胶的状态可以实时监控的 在显微镜下轻松解决细胞行为和基质特性,有助于了解动态和异质操作过程中的细胞-基质相互作用,从而使光子水凝胶成为在各种孵育系统(例如单片器官)中进行细胞生物学研究的出色支架设备。

 

全文链接:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/mh/d0mh01019g

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