東南大學顧忠澤團隊《Mater. Horiz.》：光響應性光子水凝膠使原位操作和細胞支架剛度監測成為可能

2020-09-04 高分子科學前沿

具有異質性和動態性的賦予細胞支架已被認為是用於細胞培養的下一代生物模擬支架的關鍵要素。在自然界中，組織和器官中的細胞嵌入細胞外基質（ECM）中，這是影響細胞組織和功能的生化和生物物理線索的異質動態組合。在人工細胞培養系統中重現這種異質性和動態性有助於時空控制細胞行為，這對於基礎細胞生物學研究，組織工程，再生醫學和藥物開發等非常有價值。在過去的十年中，已經做出了許多努力來創建具有可重新配置機制的人造細胞支架。具有時空可控機械性能的水凝膠被開發為智能基質，可用於仿生培養系統以精確控制細胞行為。然而，在這些矩陣上的細胞行為與動態力學之間的關係仍然需要進一步的理解。關鍵的挑戰是難以就地在重新配置期間測量矩陣的剛度排列及其變化。

為解決這一問題，東南大學杜鑫副研究員和顧忠澤教授團隊通過將結構顏色特性引入光可重構水凝膠，結合兩個不同的光子特性，可以用紫外線調節水凝膠的剛度，並通過可見範圍內水凝膠的反射變化研究剛度的變化。由於光的獨特特性，可以時空控制水凝膠的機械調節。與目前的方法相比，該方法是非侵入性的，並且在類似性能下速度更快。此外，由於可以在顯微鏡下同時觀察和記錄細胞形態和基質力學（基質顏色），因此可以輕鬆解決這種智能水凝膠上的細胞-基質相互作用。相關工作以「Photo-responsive photonic hydrogel: in situ manipulation and monitoring of cell scaffold stiffness」為題發表在《Materials Horizons》上。

光子水凝膠的設計和表徵

通過將單分散的二氧化矽納米粒子引入可重構水凝膠中來形成水凝膠。首先合成香豆素的丙烯酸酯單體（CA單體），使用水和DMSO的混合溶劑，在單分散二氧化矽納米粒子存在下，將CA單體，丙烯酸醯胺和PEGDA 700共聚製備光子水凝膠，在水凝膠形成過程中，二氧化矽納米粒子在水凝膠內部形成周期性結構，導致光子帶隙反射特定波長的光。

光子水凝膠的設計和表徵

包含光子水凝膠片的微流體晶片的設計和表徵

由於微流體裝置具有模仿人體灌注系統的能力，因此通常被用作細胞培養設備。但是，作為密封系統，操縱和監測微流控內部細胞支架的狀態非常困難，因為它們的固體覆蓋物（通常由PMMA，PMDS或玻璃組成）阻止了細胞外環境與細胞之間的接觸。研究人員設計並製造了包含三個均勻的光子水凝膠片的微流體晶片。將微流控晶片中的水凝膠用254 nm UV照射2分鐘或5分鐘以改變其性質。重新配置後，通過顏色擬合方法來測量水凝膠的剛度因為紫外線照射可以使聚合物網絡去交聯，所以紫外線照射後水凝膠的硬度下降。

包含光子水凝膠片的微流體晶片的設計和表徵

圖案化和監測光子水凝膠的剛度

由於光是時空可控的，因此用光重新配置支架可以精確地確定光子水凝膠支架每個點的剛度。使用光子水凝膠，可以通過其顏色排列識別並計算重構水凝膠上的剛度分布。通過分析水凝膠的照片，提取其色相排列，然後將色相調整為剛度值來獲得剛度分布。該過程可以在10分鐘內以非常高的解析度完成。因此，具有膠體晶體特徵，可以在數分鐘內以高解析度收集經過調整的水凝膠支架上的剛度及其分布，而不會侵入細胞培養系統，這使其成為實時監測支架狀態的理想方法。

圖案化和監測光子水凝膠的剛度

光子水凝膠作為細胞培養微陣列中可設計支架的應用

由於其可重構的性質，光子水凝膠還可用於生成用戶可設計的細胞培養微陣列。研究人員使用3D印表機製作了圓柱孔陣列，並通過將單體混合物添加到陣列中然後與365 nm UV聚合形成水凝膠陣列。獲得了均勻的水凝膠陣列。該微陣列晶片可以重新配置為254 nm紫外線照射，以針對不同的細胞培養實驗調整水凝膠玻片的硬度。同時，重新配置後的水凝膠的硬度可以根據其表觀顏色輕鬆評估。根據需要，也可以在同一微陣列上的不同區域生產具有不同剛度分布的水凝膠陣列。這使得有可能在細胞培養實驗之前通過需求確定微陣列上每個點的機械性能。

光子水凝膠作為細胞培養微陣列中可設計支架的應用

總結

通過將膠體晶體特徵引入可重構水凝膠中，研究人員開發了一種能夠改變並報告其機械性能的智能水凝膠支架。可以利用光觸發的可逆香豆素二聚反應來控制水凝膠的狀態，重新配置後可以通過顏色跟蹤和計算變化。光線的獨特功能使水凝膠的特性可以在時間上重新配置，並且水凝膠的狀態可以實時監控的 在顯微鏡下輕鬆解決細胞行為和基質特性，有助於了解動態和異質操作過程中的細胞-基質相互作用，從而使光子水凝膠成為在各種孵育系統（例如單片器官）中進行細胞生物學研究的出色支架設備。

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

來源：高分子科學前沿

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