介绍了一种能够在外培养过程中改变拓扑结构的细胞培养基底的制备方法。该方法利用了一类被称为形状记忆聚合物的智能材料，这类材料具有记忆永久形状的能力。此概念可适用于多种材料和应用领域。
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摘要
摘要
形状记忆聚合物（SMPs）是一类“智能”材料，能够在外界刺激（如热刺激）作用下，从固定的临时形状恢复至预设的永久形状1-5。在典型的形状记忆循环中，首先在高于其转变温度 Ttrans（即熔融温度 Tm 或玻璃化转变温度 Tg）的条件下对 SMP 施加形变。该形变本质上为弹性形变，主要导致构成网络链的构象熵降低（符合橡胶弹性理论）。随后，在保持外部应变或应力恒定的条件下，将形变后的 SMP 冷却至其 Ttrans 以下的温度。在冷却过程中，材料转变为更刚性的状态（半结晶态或玻璃态），从而在动力学上将材料“冻结”于该低熵状态，实现宏观形状的固定。在无应力（无约束）条件下，通过持续加热使材料通过 Ttrans，即可触发形状恢复过程。此时网络链重新获得运动能力，并松弛至其热力学上更稳定、熵最大的状态，从而使材料从临时形状恢复至永久形状。
细胞能够感知其周围环境的力学特性6。细胞与其物理环境之间的力学相互作用如何调控细胞行为，是当前研究的热点领域。具有明确形貌特征的基底已成为研究这些机制的有力工具。研究表明，介观、微观和纳米尺度的基底形貌图案可引导细胞取向、细胞黏附以及细胞牵引力7-14。这些发现凸显了基底形貌在细胞培养过程中调控和检测细胞与其物理环境之间力学相互作用的潜力。然而，迄今为止所使用的基底通常为被动型，无法在培养过程中被编程以实现显著变化。这种物理上的静态特性限制了形貌基底在调控培养细胞方面的潜力。
本文介绍了采用表面形状记忆效应的活性细胞培养（ACC）SMP基底，可对基底形貌和变形实现程序化控制。这些基底能够从临时的沟槽形貌转变为第二种近乎平坦的预设形貌。这种形貌变化可用于在标准细胞培养条件下调控细胞行为。
方案
1. NOA63的等温紫外光固化
- 使用玻璃载片（75 mm × 25 mm × 1 mm）、1 mm 厚的聚四氟乙烯（Teflon）垫片和铝板（75 mm × 25 mm × 3 mm）制备了一个定制的固化室，如图1所示。该固化室使用小型文件夹夹固定。
- 通过聚四氟乙烯垫片上的孔，使用18号针头将NOA63注入固化室中。可轻微加热NOA63以利于注入。
- 将固化室置于设定为125 °C的加热板上，加热5分钟，使其温度均匀。
- 在紫外灯固化室（λmax = 365 nm；见表格）中对NOA63进行预固化，紫外灯距离玻璃表面6.5 cm，持续20分钟。
- 在NOA63仍处于温热状态时，使用刀片将其从固化室中取出。
- 将NOA63置于125 °C加热板上，在紫外光下后固化3小时40分钟。
- 将NOA63在-20 °C条件下干燥保存。
2. NOA63的形状记忆表征
- 使用定制冲头（见表格）热压成型固化的 NOA63 薄膜，制备哑铃形试样，其尺寸如图2所示。
- 将试样装入配备拉伸夹具的动态力学分析仪（DMA；见表格）中。将仪器设置为“力控制”模式，然后按以下程序设定测试步骤：
- 在 95.00 °C 下平衡
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讨论
Tg NOA63 的性能可通过固化温度轻松调控。我们利用这一特性制备了可在细胞相容温度范围内触发的形状记忆聚合物基底。NOA63 可被水塑化，从而降低其干燥状态下的 Tg，因此我们提高了干燥的Tg 通过在125 °C下固化，使湿态玻璃化转变温度（Tg）范围移至30至37 °C之间。
所展示的活性细胞培养基质能够调控细胞行为。微丝重组的结果凸显了在动态基质上控制和检测细胞行为的潜力。ACC基质形貌的制备方法简单，且可根据固化模具和压印模具的形状进行扩展。纳米级、微米级和中尺度的形貌均可固化为永久形状，或压印成临时形状。此外，细胞在NOA6316上保持高存活率，并能贴附和铺展。
使用NOA63作为SMP确实提示了若干有待改进的方面。该材料在可见光谱的较宽范围内存在自发荧光，限制了高对比度探针的使用数量。此外，该材料在30 °C时表现出部分恢复，因此在接种细胞之前，压印的表面形貌已经发生变化。这种现象与材料的玻璃化转变温度（Tg
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致谢
作者谨此感谢 Kelly A. Burke 在 ACC 底物制备方面的技术支持。基于发表于 生物材料，Davis KA， 等形状记忆聚合物基底上的细胞动态行为 生物材料，doi:10.1016/j.biomaterials.2010.12.006，版权所有 Elsevier (2011)。本材料基于美国国家科学基金会（NSF）资助号 DMR-0907578 支持的工作。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| NOA63 | Norland Products, Inc. | NOA63 | 批号 111 |
| 狗骨形冲头 | TestResource, Inc. Shakopee, MN | 缩小版 IV 型狗骨试样（ASTM D638-03） | |
| 台式液压压机 | Carver | 3851 | |
| C3H10T1/2 小鼠胚胎成纤维细胞 | ATCC | CCL-226 | |
| 生物安全柜 | Thermo Fisher Scientific, Inc. | 1357 | |
| 紫外灯 | Spectroline | SB-100PC | |
| 动态机械分析仪 (DMA) | TA Instruments | Q800 | |
| 倒置荧光显微镜 | Leica Microsystems | Leica DMI 4000B | |
| 共聚焦激光扫描显微镜 | Carl Zeiss, Inc. | LSM 710 | 20x/0.8 NA 空气物镜或 40x/1.30 NA 油浸物镜 |
参考文献
- Liu, C., Qin, H., Mather, P. T. Review of progress in shape-memory polymers. J. Mater. Chem. 17, 1543-1543 (2007).
- Mather, P. T., Luo, X. F., Rousseau, I. A. Shape Memory Polymer Research. Annu. Rev. Mater. Res. 39, 445-445 (2009).
- Lendlein, A., Kelch, S.
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重印与许可
