建東課題組對單軸周期性拉伸力學(xué)刺激下彈性高分子表面的細(xì)胞取向開展理論和實(shí)驗(yàn)研究、并提出臨界拉伸速率的概念
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?細(xì)胞可以通過力轉(zhuǎn)導(dǎo)過程對所處微環(huán)境中的力學(xué)刺激信號作出響應(yīng)，動態(tài)拉伸已被證實(shí)對細(xì)胞行為具有顯著影響，這是一個(gè)生物材料學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、生物化學(xué)、生物力學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的交叉學(xué)科課題。近日，復(fù)旦大學(xué)丁建東課題組的研究揭示了單軸周期性拉伸的彈性高分子表面的細(xì)胞取向存在臨界響應(yīng)頻率和臨界拉伸速率，并結(jié)合高分子鏈松弛理論為該臨界現(xiàn)象提供了合理闡釋。
?利用光刻技術(shù)、軟蝕刻技術(shù)和有限元分析方法，丁建東課題組設(shè)計(jì)和制備了適用于細(xì)胞力學(xué)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(dāng)芯片側(cè)腔抽真空時(shí)，其體積減小，導(dǎo)致中間流體通道的薄膜發(fā)生拉伸，進(jìn)而對黏附于薄膜上的細(xì)胞施加周期性拉伸作用。通過將PDMS微流控芯片與活細(xì)胞工作站、外源智能化真空泵聯(lián)用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞實(shí)時(shí)觀察、細(xì)胞培養(yǎng)和細(xì)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(xì)胞行為的影響
?丁建東課題組以此PDMS微流控芯片為研究平臺，驗(yàn)證了細(xì)胞在合適條件下有垂直于拉伸方向取向的特性。
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圖2? 周期性拉伸下的細(xì)胞取向
?作者還借助源于建筑學(xué)中的張拉整體結(jié)構(gòu)模型（tensegrity model）對材料表面的細(xì)胞處于周期性單軸拉伸時(shí)取向和能量之間的關(guān)系及其時(shí)間依賴性進(jìn)行了推演。理論計(jì)算不僅得出了垂直取向的結(jié)論，而且對細(xì)胞取向有序度隨時(shí)間的演化也給出了與實(shí)驗(yàn)一致的動力學(xué)趨勢。這是為數(shù)不多的可對粗粒化的細(xì)胞模型進(jìn)行處理、且給出解析解的理論工作。
?隨后系統(tǒng)探究了人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（hMSC）在不同拉伸頻率和幅度的循環(huán)拉伸作用下的細(xì)胞取向。在證實(shí)細(xì)胞取向存在臨界拉伸幅度的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞取向具有臨界響應(yīng)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(xì)胞取向現(xiàn)象發(fā)生。
圖3? 不同幅度的周期性拉伸作用下細(xì)胞序參量隨時(shí)間的演化及細(xì)胞取向的臨界響應(yīng)頻率
?丁建東課題組發(fā)現(xiàn)盡管臨界響應(yīng)頻率與幅度相關(guān)，而拉伸幅度及對應(yīng)的fc的乘積，對于2%、5%和10%三個(gè)幅度組而言，均處于同一水平。于是，在臨界響應(yīng)頻率的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了臨界拉伸速率的概念（Rc = πAfc），成功地實(shí)現(xiàn)了頻率和幅度對細(xì)胞取向影響的統(tǒng)一。通過對大量文獻(xiàn)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納分析，證實(shí)了Rc對于絕大多數(shù)細(xì)胞類型具有普適性。
?理論模型中涵蓋了細(xì)胞骨架、尤其是應(yīng)力纖維。丁建東團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對文獻(xiàn)中有關(guān)應(yīng)力纖維動態(tài)自組裝的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力纖維的周轉(zhuǎn)時(shí)間范圍恰好與上述臨界拉伸速率的倒數(shù)相吻合，因此認(rèn)為應(yīng)力纖維的超分子鏈松弛過程可能是誘導(dǎo)細(xì)胞取向發(fā)生的關(guān)鍵。也就是說，應(yīng)力纖維的周轉(zhuǎn)時(shí)間決定了使細(xì)胞取向的臨界拉伸速率，當(dāng)拉伸幅度固定時(shí)進(jìn)而決定了臨界響應(yīng)頻率。
圖4? 臨界拉伸速率和臨界響應(yīng)頻率對單軸周期性拉伸誘導(dǎo)的細(xì)胞取向的潛在影響
?以上相關(guān)成果發(fā)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(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系、聚合物分子工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士生毛天驕，通訊作者為該國重主任丁建東教授。
?論文鏈接： https://doi.org/10.1021/acsami.0c21186
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