使用機(jī)械生物學(xué)和機(jī)器人顯微操作的組織工程

你有沒有想過一個(gè)細(xì)胞球體，桑椹樹，是如何產(chǎn)生具有迷人形狀和結(jié)構(gòu)的組織和器官的?秘密在于胚胎組織的力學(xué)。根據(jù)作用在它們上的力，它們表現(xiàn)出粘性(類似流體)和彈性(類似固體)的行為。在 EPFL，埃里克·梅蘭德 (Erik Mailand) 是一名博士。學(xué)生和機(jī)械工程助理教授 Selman Sakar 決定利用細(xì)胞簇的機(jī)械響應(yīng)流變學(xué)來設(shè)計(jì)具有持久復(fù)雜形態(tài)的組織。

從單細(xì)胞力學(xué)到多細(xì)胞組織

長期以來，生物工程師一直在研究動(dòng)物組織，目標(biāo)是能夠設(shè)計(jì)用于再生醫(yī)學(xué)和藥物篩選的復(fù)制品。盡管有一些制造技術(shù)可以暫時(shí)概括天然組織的形式和結(jié)構(gòu)，但規(guī)定的形態(tài)并不穩(wěn)定。細(xì)胞不斷施加力量將自身和周圍的支架安排到一個(gè)能量有利的狀態(tài)，它們的身體活動(dòng)幾乎總是擾亂秩序。“我們希望為細(xì)胞提供正確的機(jī)械線索，以便它們所需的狀態(tài)與我們的組織藍(lán)圖一致，”EPFL 微生物機(jī)器人系統(tǒng) (MICROBS) 實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人 Sakar 說。“我們反復(fù)觀察到，由于表面應(yīng)力的出現(xiàn)，細(xì)胞傾向于將組織塌陷成一個(gè)球。”因此，Sakar 的研究小組研究了這兩個(gè)個(gè)體的行為細(xì)胞和微加工組織，以便更好地理解自組織的物理原理。他們的研究結(jié)果最近發(fā)表在Advanced Materials 上的兩篇獨(dú)立文章中。

工程師們首先進(jìn)行了機(jī)器人顯微操作實(shí)驗(yàn)，以了解細(xì)胞如何對纖維基質(zhì)內(nèi)的力做出反應(yīng)。為此，他們開發(fā)了一種可在組織內(nèi)操作的遠(yuǎn)程控制的細(xì)胞大小的磁性微致動(dòng)器。“這個(gè)平臺使我們能夠發(fā)現(xiàn)會(huì)改變細(xì)胞組織的負(fù)載條件。這些實(shí)驗(yàn)對于了解纖維化和癌癥等疾病的發(fā)生也很重要，”薩卡爾說。工程師創(chuàng)建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的一對一數(shù)字復(fù)制品，以量化微致動(dòng)器產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。“我們使用數(shù)字孿生對不同的機(jī)械驅(qū)動(dòng)方案和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬測試，以揭示新穎的見解，”第一篇文章的主要作者 Fazil Uslu 說。

上皮層的相變

從早期實(shí)驗(yàn)中了解到，工程師們將注意力集中在控制表面應(yīng)力上。上皮是堅(jiān)固的組織，支持胚胎和器官的結(jié)構(gòu)，并作為抵御病原體的屏障。值得注意的是，通過積極重塑細(xì)胞 - 細(xì)胞連接和調(diào)節(jié)局部應(yīng)力的分布，上皮細(xì)胞可以變得有彈性、可塑性和粘性。“我們使用微細(xì)加工、計(jì)算力學(xué)、光片顯微鏡和新型機(jī)器人顯微操作平臺來表明，覆蓋有連續(xù)上皮片的膠原凝膠可以使用機(jī)械力自由成形，”第二篇文章的主要作者 Mailand 說。該過程涉及上皮片中可逆的固體到液體的轉(zhuǎn)變，并且適用于增材制造和減材制造技術(shù)。

這一發(fā)現(xiàn)開辟了組織工程研究的新途徑，希望有朝一日在實(shí)驗(yàn)室中開發(fā)的組織將具有適當(dāng)?shù)男问胶凸δ埽梢灾踩牖颊唧w內(nèi)或用于測試療法。這一發(fā)現(xiàn)也可能為組織血管化問題提供解決方案。隨著工程化組織的尺寸變大，位于核心的細(xì)胞不再能夠接觸周圍的介質(zhì)，并且需要——就像我們的器官一樣——灌注血管。“我們的研究結(jié)果表明，有可能在組織中直接雕刻隧道，最終由周圍的細(xì)胞穩(wěn)定，以人為地創(chuàng)建流體網(wǎng)絡(luò)。” 薩卡爾說。表明內(nèi)皮細(xì)胞顯示出與上皮細(xì)胞相似的機(jī)械響應(yīng)特性 是該項(xiàng)目的下一個(gè)目標(biāo)。

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