机械刺激的 3D 多细胞系统

细胞活动（如发育、形态发生和新陈代谢）受机械力的显着影响。虽然之前的研究已经探究了细胞在二维环境中对机械刺激的反应，但在受控的三维环境中复制这些复杂的条件一直具有挑战性。海德堡大学的研究人员Cluster of Excellence 3D Matter Made to Order（3DMM2O）成员，他们使用Nanoscribe的3D微纳加工技术来创造高分辨率、多功能的3D微纳结构，解决了这个问题。他们开发了一种设备，其外层为 IP-PDMS材料，内层由 HYDROBIO INX N400 生物树脂与活细胞混合制成，能够在规定的机械力下进行精确的机械刺激和多细胞系统研究。

开发用于生物力学研究的 3D 微纳设备

The Selhuber-Unkel 实验室的研究人员使用 CAD 软件设计了该设备，并通过有限元分析对其进行优化，以预测机械刺激下的应变。该设备的外部使用 IP-PDMS光刻胶打印，内部使用 Hydrobio INX N400 材料打印，Hydrobio INX N400 针对活细胞打印进行了优化。研究人员使用扫描电子显微镜 （SEM）、明场和荧光显微镜验证打印质量，确保最小的膨胀和收缩。最终的设备能够支持多细胞系统，并使用悬臂实现精确的机械刺激。

3D 多材料打印的绝佳选择

多材料打印适用于创建模拟体内复杂机械环境的 3D 微结构设备。Nanoscribe的 IP-PDMS 光刻胶因其弹性和柔韧性的特点，使其成为细胞支架和组织工程的理想选择。作为Nanoscribe打印材料系列中最柔软的光刻胶，IP-PDMS的杨氏模量为15.3 MPa，可实现制作耐用且灵活的结构。HYDROBIO INX N400 是一种天然明胶基水凝胶，可与活性细胞打印相兼容。作为研究炎症性关节疾病的模型，人成纤维细胞样滑膜细胞 （HFLS） 和根据它们在关节内膜中的位置而选择的人脐静脉内皮细胞 （HUVEC） 被封装在 N400 中，以创建一个逼真的多细胞环境。

研究受刺激细胞的形态变化

3D 打印的微结构设备经过了多项严格的测试，以验证其功能和有效性。对于机械测试，使用配备已知刚度悬臂的纳米压痕仪对设备施加受控力，专门针对 IP-PDMS 电桥，以在包含细胞的水凝胶圆柱体内诱导精确位移。施加的力范围为 200 μN，频率为 0.5 Hz 至 1 Hz。在 1 Hz 时，由于其基于水凝胶树脂的特性，较高的频率导致较少的位移，从而使得细胞中的形态变化减少。当以 0.5 Hz 的机械刺激 30 分钟时，细胞表现出显着的形态变化和肌动蛋白重塑，肌动蛋白纤维在响应循环机械拉伸时表现出重组和排列。作为概念验证，青鳉视网膜类器官被封装在设备中，以证明使用这种方法也可以有效刺激预制的类器官。