生物力学

本文报道了一种新型生物相容性微机械生物反应器(执行器和传感器)，用于活体微组织的原位操作和表征。本研究的目的是开发和验证一种可获得、价格低廉、可调节、易于加工的应用靶向无菌生物反应器。我们的方法依靠简单的聚二甲基硅氧烷( PDMS )成型技术进行制造，与常用的实验室设备和材料兼容。我们独特的设计包括一个柔性的薄膜，它允许将一个外部驱动器转移到PDMS梁基驱动器和传感器中，置于常规的35 mm细胞培养培养皿内。通过计算分析和实验测试，我们证明了它的功能性、准确性、灵敏度和可调节的工作范围。通过时间历程测试，致动剂将20 %以上的菌株传递给可生物降解的电纺聚( D，L-丙交酯-co-乙交酯) ( PLGA ) 85∶15不定向纳米纤维( ~ 91µ m厚)。同时，该传感器能够表征在异丙醇( IPA )作用下杨氏模量(降至10 - 150kPa )的时间历程变化。此外，该驱动器将高达4 %的应变传递给PDMS单层膜( ~ 30 µ m厚)，同时表征其弹性模量高达~ 2.2 MPa。该平台重复施加0.23 Hz的动态拉伸刺激，使人皮肤成纤维细胞( HDF )存活12 h ( h )，记录细胞向两个角度区的再定向，平均为-58.85°和56.02°。该装置与活细胞的生物相容性显示一周，无细胞毒性迹象。

本文报道了一种新型生物相容性微机械生物反应器(执行器和传感器)，用于活体微组织的原位操作和表征。本研究的目的是开发和验证一种可获取、价格低廉、可调节、易于加工的应用靶向无菌生物反应器。我们的方法依靠简单的聚二甲基硅氧烷( PDMS )成型技术进行制造，与常用的实验室设备和材料兼容。我们独特的设计包括一个柔性的薄膜，它允许将一个外部驱动器转移到PDMS梁基驱动器和传感器中，置于常规的35 mm细胞培养培养皿内。通过计算分析和实验测试，我们证明了它的功能性、准确性、灵敏度和可调节的工作范围。通过时间历程测试，致动剂将20 %以上的菌株传递给可生物降解的电纺聚( D，L-丙交酯-co-乙交酯) ( PLGA ) 85∶15不定向纳米纤维( ~ 91µ m厚)。同时，该传感器能够表征施加异丙醇( IPA )诱导的杨氏模量(下降到10 ~ 150 k Pa )的时间历程变化，并且执行器将高达4 %的应变传递到PDMS单层(厚~ 30 µ m )，同时表征其弹性模量高达~ 2.2 MPa。该平台将动态( 0.23 Hz )拉伸刺激反复作用于活人皮肤成纤维细胞( HDF )细胞12 h ( h )，记录细胞向两个角度区的重新取向，平均为-58.85°和56.02°，并显示该装置与活细胞的生物相容性为一周，未见细胞毒性迹象。

细胞感知和响应周围微环境的机械信号的能力是组织工程和再生中的关键问题之一，然而，对既有细胞观察又有机械刺激的细胞进行基础研究具有挑战性，应以适当的微器件为基础。我们设计并制作了一个两层微流控芯片，可以同时观察活细胞和循环拉伸的弹性聚合物聚二甲基硅氧烷( PDMS )，表面修饰以增强细胞粘附。人间充质干细胞( hMSCs )的频率范围为0.00003 ~ 2Hz，振幅为2 %、5 %或10 %。初始随机取向的细胞在大于阈值的频率下被证实是垂直于拉伸方向的重取向，我们称之为临界频率( fc )，且临界频率fc与振幅有关。我们进一步引入了临界拉伸速率( Rc )的概念，发现该量可以统一频率和振幅依赖关系。本研究中Rc的倒数为8.3 min，与文献报道的肌动蛋白丝周转时间一致，提示细胞骨架内的超分子弛豫可能是细胞底层的机械性转导所致。基于单轴循环拉伸下的二维张拉整体模型的细胞重定向理论计算与我们的实验吻合较好。上述发现为生物材料在生物力学刺激下，临界频率和临界拉伸速率在细胞调控中的关键作用提供了新的认识。

能量收集器( EH )技术已迅速发展，以替代生物力学电子的电池，但在实现柔性和生物相容性能量收集器方面，仍需努力缩小技术差距。目前基于ZnO纳米阵列的柔性能量收集器需要复杂的制作工艺，而且由于通常是在硬基片上制作，因此它们是不可拉伸的。本工作报道了一种简单的方法，即直接将ZnO纳米阵列完全嵌入到与人体皮肤具有相似力学性能的类皮肤聚二甲基硅氧烷( PDMS )弹性体基体中，制备无基底能量收集器。该柔性器件的弹性模量为3.3 MPa，可拉伸至原长度的250 %，可产生高达9.2 Vpp的开路电压，并可通过手指移动驱动LED。此外，该装置通过体外和体内试验从手指运动和心跳中收集能量。由安装在猪模型无铅起搏器上的装置产生约0.3 Vpp开路电压。这项工作提出了一种通用的设计策略，克服了能量材料和软组织之间的机械不匹配，适用于从可穿戴到可植入的各种生物力学EH应用。