活性生物材料為研究哺乳動物細胞中的生物力學傳導提供了一種有效途徑。這些材料系統可以通過暫時地動態調節他們對細胞內部力的抵抗以及施加在細胞上的力，來監測細胞響應。刺激響應性分子，聚合物，和嵌在細胞兼容聚合物網絡裡面的納米顆粒可以把外部信號（光，熱，化學製品和磁場）轉化成細胞-材料接觸面上的基質彈性變化（幾kPa至即使kPa）或者力的變化（幾pN至幾μN）。生物力學中引入活性生物材料已經對幾種生物現象（例如癌症遷移，纖維化和組織再生）的研究和潛在療法有了促進作用。近期，來自哈佛大學的David J. Mooney教授團隊，在Biomaterials期刊上發表題為Active biomaterials for mechanobiology的文章，
目前為止，已經有好幾種技術平臺和材料體系被用於研究細胞如何感應和處理力學信號，並發現了幾個關鍵的力學感應蛋白和細胞內的信號通路。這些平臺可以被歸類為以下兩種：1.經過結構改性的系統，通過調節百步變化改變基底的力學性質，從而耗散細胞內源性力2.應力發生系統，活性基底能夠施加外源性力在細胞上。首先，對於第一類平臺，研究人員可以利用一系列合成材料基底，以及水凝膠基系統使細胞產生內源性力，來研究細胞如何重構以及對細胞外基質（ECM）做出響應。目前，凝膠基合成基質已經被用來研究基質剛度，降解，應力鬆弛，拓撲結構以及聚合物網絡結構的變化對細胞行為的影響。這些研究也揭示了ECM與細胞之間物理相互作用的改變是足以驅動各種各樣生物過程的，例如遷移，上皮-間質轉化，和幹細胞分化。對於第二類平臺，為了對培養在平面基底上的細胞施加力學刺激，一些纖維操作技術例如微管吸吮技術，光鉗，磁扭力細胞計數，原子力顯微鏡，拉伸彈性設備，和微流控已經被應用。這些顯微操作技術能夠控制施加力的尺度（幾十pN至幾nN）以及時間。
圖1 細胞對於機械力的響應涉及到以下幾個因素：整合素信號傳導，黏著斑集合，應力纖維形成，鈣信號和轉錄調節器的核轉運
隨後，作者介紹了上述活性生物材料系統的設計以及工作原理。這些有動態力學特性的生物材料都是由生物兼容的可分裂的分子，刺激響應型聚合物，或者納米材料組成。根據其力學功能，活性生物材料系統可以分為兩類，一類是通過動態調節基質彈性來抵抗細胞內源性力，另一類是利用外部刺激來向細胞施加外源性力。作者詳細介紹了這兩類動態力學生物材料的工作原理和製造原理。
圖2 通過改變交聯網絡的密度來動態調節細胞內源力的響應
如圖2所示為第一類通過調節抵抗細胞內源性力的活性生物材料體系。這些能夠主動控制力學性質的生物材料系統主要可由合成水凝膠，彈性體，蛋白和核酸構成。他們可以由一系列的外部刺激來觸發，包括光，pH，和酶。在這些系統中，基質彈性主要是由調控網絡交聯密度來控制的。削減交聯密度能夠降低聚合基質的剛度，反之則能增加基質硬度。然而，交聯密度的改變也會影響網絡結構的尺寸，這就同樣會影響可溶性因子在基質中的擴散程度。而化學交聯的策略則可以決定這些變化是否可逆，並且是否能夠多次進行。第一類體系主要的工作原理包括光控，化學方式控制，聲波方式控制，以及組合策略動態調節基質結構。
圖3 利用磁場和光熱效應產生外源性力
如圖3所示是第二類活性生物材料體系，通過對細胞施加外源性力來研究其生物力學。為了實現這個目的，能夠將電磁場和聲波轉化為機械做功的粒子被摻雜進入靜態生物材料體系。根據摻雜的材料和支架設計的不同，可以在3維方向上實現不同的應力和應變曲線，並且進一步轉化為施加在材料-細胞接觸界面的力學載荷。作者將目前已有的該類材料體系按照施加刺激的方式加以分類，包括磁場控制以及光控制方式。
圖4 流道剛度影響MDA-MB-231細胞的遷移表型轉變
最後，作者總結利用上述兩種體系的活性材料系統研究生物力學的近期文章，並且闡述了到目前為止發現的重要生物力學結果。
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論文連結：
https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120497
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