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麻省理工學院實現細胞級尺度的生物材料基底3D打印

時間: 2019-05-10 | 編輯: 80 | 閱讀:80次


 
麻省理工學院實現細胞級尺度的生物材料基底3D打印  
 

論文標題:Machine learning metrology of cell confinement in melt electrowritten three-dimensional biomaterial substrates

期刊:Microsystems&Nanoengineering

作者:Filippos Tourlomousis, Chao Jia, Thrasyvoulos Karydis, Andreas Mershin, Hongjun Wang, Dilhan M. Kalyon, Robert C. Chang

發表時間:2019/03/25

數字識別碼: 10.1038/s41378-019-0055-4

原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41378-019-0055-4?utm_source=sciencenet&utm_

medium=display&utm_content=mpu&utm_campaign=JRCN_2_JG_sciencenet_micronano_machine_learning

微信鏈接:https://mp.weixin.qq.com/s/JBE2RJRUXVGjPwoav4ndiQ

眾所周知,細胞形狀決定細胞功能。通過改變用于細胞操作的生物材料基底的生物物理特性來改變生物形狀,從而實現編程細胞形態與功能的技術,在生物醫療等領域有重要價值和意義。

麻省理工學院比特和原子中心與新澤西州史蒂文斯技術學院的技術團隊實現了利用熔融直寫制造3D生物材料基底的技術,運用該技術可以通過控制特定的生物材料基底,生長出具有均勻大小和形狀,以及特定功能的細胞。

圖1

傳統的3D打印技術所產生的細絲可以達到150微米(百萬分之一米),細胞在該尺度的打印表面,就像在二維表面上一樣,因為細胞本身比打印出的網狀結構小很多。3D打印時,在擠出纖維和打印的過程中,給噴嘴之間增加一個強電場,打印出的纖維寬度可以達到10微米,該技術稱為熔融直寫技術。熔融直寫技術可以生成與細胞同尺度的網狀結構,從而為細胞生長提供一個真正的3D結構。細胞的許多功能受其微環境的影響,通過調節3D打印出的與細胞同尺度的多孔微結構,就可以實現對細胞尺寸、形狀及其在材料基底上的粘合方式的控制,即制造具有特定大小、形狀和特性的細胞。

該團隊首先采用熔融直寫技術得到各種特定結構的生物基底,然后使用共聚焦顯微鏡觀察細胞在纖維中的生長,并采用人工智能方法對產生的大量的圖像進行分析和分類,從而發現細胞類型及其可變性與其所生長的微環境的空間與纖維排列等特征間的關聯。

細胞在其附著于結構的位置會形成稱為“粘著斑”的蛋白質。粘著斑就像細胞與外界交流的“信使”,這種蛋白攜帶可被測量的特征;該團隊通過量化粘著斑上的特征,并對這些特征進行計量分析,實現不同形狀細胞的建模與分類。

此項研究表明,在給定的網狀結構下,細胞生長出的形狀與其基底結構和熔融直寫結構直接耦合,并且,這種耦合性相比隨機結構的網格具有高度的統一性,這種統一的細胞生長特性對生物醫療意義重大——實現了由形狀驅動,具有很高重復性的精準設計與量化細胞的方法。

該團隊將此項成果用于干細胞生長,結果表明,特定干細胞在本研究所得的三維網格中生長,比在傳統二維結構中生長所保持特性的時間顯著增長。該實驗為此項技術在醫學領域的應用提供了參考,可以采用此項技術培養具有特定功能的人類細胞,從而為移植與人造器官提供所需的材料。進一步明確細胞表型變化與三維打印的材料基底之間的耦合特性,是目前此項研究實現產業化應用的主要障礙。

本研究受國際媒體廣泛關注,在MIT News,EurekAlert!,Phys.org,Science Daily,Azom.com,Nanowerk等媒體都有專門報道。該成果已發表在Microsystems & Nanoengineering上

摘要:Tuning cell shape by altering the biophysical properties of biomaterial substrates on which cells operate would provide a potential shape-driven pathway to control cell phenotype. However, there is an unexplored dimensional scale window of three-dimensional (3D) substrates with precisely tunable porous microarchitectures and geometrical feature sizes at the cell’s operating length scales (10–100 μm). This paper demonstrates the fabrication of such high-fidelity fibrous substrates using a melt electrowriting (MEW) technique. This advanced manufacturing approach is biologically qualified with a metrology framework that models and classifies cell confinement states under various substrate dimensionalities and architectures. Using fibroblasts as a model cell system, the mechanosensing response of adherent cells is investigated as a function of variable substrate dimensionality (2D vs. 3D) and porous microarchitecture (randomly oriented, “non-woven” vs. precision-stacked, “woven”). Single-cell confinement states are modeled using confocal fluorescence microscopy in conjunction with an automated single-cell bioimage data analysis workflow that extracts quantitative metrics of the whole cell and sub-cellular focal adhesion protein features measured. The extracted multidimensional dataset is employed to train a machine learning algorithm to classify cell shape phenotypes. The results show that cells assume distinct confinement states that are enforced by the prescribed substrate dimensionalities and porous microarchitectures with the woven MEW substrates promoting the highest cell shape homogeneity compared to non-woven fibrous substrates. The technology platform established here constitutes a significant step towards the development of integrated additive manufacturing—metrology platforms for a wide range of applications including fundamental mechanobiology studies and 3D bioprinting of tissue constructs to yield specific biological designs qualified at the single-cell level.

閱讀論文全文請訪問:https://www.nature.com/articles/s41378-019-0055-4?utm_source=sciencenet&utm_

medium=display&utm_content=mpu&utm_campaign=JRCN_2_JG_sciencenet_micronano_machine_learning

文章標題: 麻省理工學院實現細胞級尺度的生物材料基底3D打印
文章地址: http://www.bqvfdr.icu/guanyuwomen/841.html
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