細胞與其周圍微環(huán)境的相互作用是組織工程、再生醫(yī)學等領(lǐng)域的一個重要基礎(chǔ)問題。其中，力學轉(zhuǎn)導(dǎo)（即細胞感知并響應(yīng)力學微環(huán)境的行為）是一個復(fù)雜的過程，亟待開發(fā)簡單高效的細胞實驗微器件來進行相關(guān)研究。復(fù)旦大學高分子科學系丁建東課題組運用先進的微加工技術(shù)以及有限元分析，設(shè)計并成功制備了一種簡化但功能性和適用性強的微流控細胞拉伸芯片。

常規(guī)的微流控拉伸芯片由三層組成，即彈性膜層夾在兩個微通道層之間。制作這種微流控芯片需要進行對準和多次鍵合，而且兩側(cè)空腔的薄膜也需要去除，這極大地增加了制備芯片的難度。丁建東課題組設(shè)計了獨特的兩層微流控拉伸芯片。其工作機制是當側(cè)腔在負壓下發(fā)生彈性變形時，中間腔的彈性膜被拉伸。該芯片的優(yōu)點是不需要芯片對準，僅需一次鍵合，而且不需要去除兩個側(cè)腔的彈性膜。在顯微鏡觀察彈性膜上的細胞時，工作距離相對于常規(guī)的三層芯片更短（圖1）。

圖1.用于細胞拉伸的新型微流控芯片與傳統(tǒng)微流控芯片的示意圖。傳統(tǒng)微流控芯片由三層組成（稱為“三層芯片”），而新型微流控芯片僅由兩層組成（稱為“二層芯片”）。

從表面上看，這樣一種雙層芯片不具備可行性，這源于雙層結(jié)構(gòu)在負壓驅(qū)動時中間腔的彈性膜在z方向上必然變化而導(dǎo)致焦平面的改變，或者由于拉伸幅度不足以達到細胞拉伸刺激的要求。丁建東課題組引入了一種將有限元分析與正交實驗設(shè)計結(jié)合的新型方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計獲得最優(yōu)的芯片結(jié)構(gòu)參數(shù)（圖2），有望使得在較大拉伸振幅下z方向僅造成較小的變化。

圖2. 通過有限元分析和正交實驗設(shè)計優(yōu)化芯片結(jié)構(gòu)。為了便于模型的計算，我們對芯片結(jié)構(gòu)進行簡化，然后通過有限元分析研究了在負壓作用下芯片的變形。最后，通過正交實驗設(shè)計，使我們能夠僅使用計算機模擬而非實驗即獲得了最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。W1：執(zhí)行腔的寬度，W2：側(cè)壁的寬度，T：膜的厚度，H：微通道的高度。

隨后結(jié)合微電子的光刻等技術(shù)，在實驗上成功制備了相關(guān)的硅橡膠（PDMS）高分子芯片，證實了理論設(shè)想。

丁建東課題組進一步運用雙層芯片實現(xiàn)了多種拉伸模式（即單軸拉伸，徑向拉伸和梯度拉伸）。使用簡單的光掩模設(shè)計和制造工藝就可以制備這三種微流控芯片。細胞實驗發(fā)現(xiàn)，在不同拉伸模式下細胞發(fā)生了不同的取向變化（圖3）。細胞的取向與薄膜拉伸位移場垂直相關(guān)。這是由于細胞為了達到內(nèi)穩(wěn)態(tài)而傾向排列于擾動最小的方向。

圖3. 三種拉伸模式及其細胞實驗結(jié)果。圖從左到右依次為拉伸模式，拉伸后細胞狀態(tài)和細胞方向統(tǒng)計。比例尺：200 μm。

丁建東課題組還借助雙層芯片工作距離短的優(yōu)勢，清楚地觀察了單軸拉伸前后細胞的微管和微絲（圖4）。

圖4. 細胞骨架結(jié)構(gòu)的熒光顯微照片及其統(tǒng)計數(shù)據(jù)。（A）單軸拉伸前后的微管（左列）和微絲（中列）的熒光顯微照片，并通過作者開發(fā)的計算機程序標記兩種細胞骨架細絲的取向（右列）。（B）左圖顯示了單軸拉伸后微管和微絲的取向統(tǒng)計。右圖顯示了單軸拉伸前后細胞骨架的序參量。圖中標星為顯著性差異，其中：“ *” 表示p <0.05、“ **”表示p <0.01、“ ***”表示p <0.001。

該研究開發(fā)了一種簡便且功能性和適用性強的微流控細胞拉伸芯片。為細胞與力學微環(huán)境相互作用的研究、以及組織工程與再生醫(yī)學等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究提供了便捷的研究工具。

以上相關(guān)成果在《Biofabrication》發(fā)表“A simplified yet enhanced and versatile microfluidic platform for cyclic cell stretching on an elastic polymer”。論文的第一作者是復(fù)旦大學高分子科學系、聚合物分子工程國家重點實驗室的賀迎寧博士后，通訊作者為丁建東教授。

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