形状记忆聚合物主动细胞培养
July 4th, 2011
一个能力地形变化，在文化发展与细胞培养基质的方法是描述。该方法使被称为形状记忆聚合物，有能力记住一个永久的形状的智能材料的使用。这个概念是适应的材料和应用的广泛。
该程序的总体目标是在形貌随时间变化的底物中培养细胞。这是通过首先将形状记忆聚合物编程为可以记忆的永久形状来实现的。然后将形状记忆聚合物编程成临时形状，然后将细胞接种到该形状上。
该程序的最后一步是通过提高温度触发形状记忆聚合物恢复其永久形状，最终可以获得通过荧光显微镜显示细胞行为变化的结果。大家好，我是 Pat Mather。我是雪城大学生物医学和化学工程教授，也是雪城生物材料研究所的主任。
与用于拉伸细胞的商业或定制设备相比，该技术的主要优势在于，在单个聚合物系统中，我们能够将各种复杂菌株应用于细胞。我叫 Jay Henderson。我是生物医学和化学工程的助理教授，也是雪城生物材料研究所的成员。
这种方法可以帮助回答机械生物学领域的关键问题，例如细胞如何响应其物理环境中的动态变化。我叫 Kevin Davis，是雪城大学生物医学工程和化学工程系的博士生。虽然这种方法可以提供对 2D 机械生物学的见解，但它也可以用于其他系统，例如用于组织工程的 3D 形状变化支架。
在此过程开始之前，使用载玻片、一毫米厚的特氟龙垫片和铝板准备一个定制的固化室。使用小活页夹固定腔室 首先，使用 63 号针头通过特氟龙垫片上的孔将 NOA 18 注入腔室。然后将腔室放入 125 摄氏度的热板中。
腔室加热后，让腔室加热至均匀温度 5 分钟。将紫外线灯放置在距离玻璃表面 6.5 厘米的位置，将 NOA 63 放置 20 分钟。使用剃须刀片在仍然温暖的情况下从腔室中取出 NOA 63。
然后在紫外线下直接在 125 摄氏度的热板上对形状记忆聚合物进行 3 小时 40 分钟的后固化。为了表征 NOA 63 的形状记忆，通过使用定制的冲头热压固化的薄膜来制备哑铃试样。最后，将试样放入带有拉伸夹具的动态机械分析仪中。
将仪器设置为强制控制模式，并按照本视频随附的书面协议对测试程序进行编程。该程序的结果是等温固化的异形记忆聚合物或 SMP 薄膜，将 CSMP 置于热板中，并将温度设置为高于玻璃化转变温度，以降低模量并简化切割。从等温固化的 s 和 p 薄膜中制备单个样品。
用剃须刀将 s 和 p 薄膜切割成所需的样品大小。可以通过多种不同的方式固定临时形状。这里。带有可加热和冷却平台的台式液压机用于压花临时地形。
首先，将 PLA 的温度设置为高于 tg 的温度。在这个演示中，通过在黑胶唱片上固化环氧树脂来制作压花机，以产生平行凹槽的临时形状。压花机可以由其他材料制成，具有不同的地形，但必须比 NOA 63 更硬。
在压花温度下，将 s 和 p 样品面朝下放在压花机上。然后将样品和压花机放入压榨机中。施加大约 100 千克帕斯卡预载荷，使加热的 PLA 与样品接触约 5 分钟，以使样品达到均匀的温度。
达到均匀温度后，对样品施加 1 至 6 兆帕并保持 1 分钟。SMP 将破裂。如果施加了更大的应力。
施加较小的应力以引入具有较小振幅的形貌。施加压力后，利用压榨板的水冷功能将温度降低到 TG 以下。当温度低于 tg 时，在开始活性细胞培养实验之前去除施加的力。
生物安全柜的紫外线用于对样品进行消毒。将样品面朝下放在没有盖子的无菌培养皿中，然后打开紫外线灯 6 小时。然后将样品翻转到新的无菌培养皿中，以正面朝上的位置放置。
再打开紫外线灯 6 小时。在用细胞接种之前，样品需要平衡至相对稳定的状态。将样品放入 96 孔板中，并加入 150 μL 的完全生长。
每孔中等。将板放入 30 摄氏度、含 5% CO2 的培养箱中，直至达到所需的部分回收率。在本演示中，样品孵育 30 小时，以产生足够大的振幅以对齐细胞。
一旦实现部分回收，就可以用细胞接种样品。将样品放入新的 96 孔板中。然后向此处的每个样品中加入 150 微升细胞溶液，C3 H 10 吨半。
大多数胚胎成纤维细胞的使用量为每毫升 20， 000 个细胞。为了获得分离的细胞，通过在 30 摄氏度下孵育 9.5 小时，让细胞附着并扩散在临时地形上。接下来，通过去除样品并对样品进行染色和荧光成像，在过渡前检测细胞形态。
这种材料在大多数紫外光和光谱远红端的可见光范围内表现出自发荧光，例如 Alexa Fluor 6 47 建议降低背景以触发样品回收，将板移至 37 摄氏度培养箱并继续培养 19 小时。这使得材料能够恢复，细胞能够使其形态适应新的地形。孵育后，应用适当的染色剂，例如 fallin 进行丝状肌动蛋白成像。
作为最后一步，可以在新地形上对细胞进行成像，此处显示的是单个 NOA 63 固化的大量单向形状记忆。重复 3 次，星号表示实验性发作已治愈。NOA 63 是一种透明的玻璃状固体，具有出色的形状记忆特性。
在这种情况下，材料被固化并显示出 51.1 摄氏度的均匀 TG，这是从储能模量下降开始确定的。这里看到的应变下降发生在测得的 tg 处。在卸载 20 摄氏度后，很大比例的 4.7% 施加的应变被固定，对应的固定率为 89.3%，然后在加热过程中在相对较小的温度范围内以 84.4% 的比例恢复固定应变。
形状记忆性能在长达三个周期内没有恶化，所有曲线都遵循几乎完全相同的路径。临时地形的振幅在 30 摄氏度时随时间减小 30 小时。在 30 摄氏度。
振幅降低了大约 50%，此处指示在时间零处。在接下来的 9.5 小时内，它又减少了 10%。当通过将温度提高到 37 摄氏度来触发恢复时，对于使用的压花机，振幅在 9.5 小时内降低到初始振幅的 0.5%，压花应力为 4.9 兆帕。
这相当于将 13 微米的凹槽功能更改为几乎平坦的表面。在细胞培养条件下，这种聚合物可在 30 至 37 度的温度范围内恢复。这是由于从培养基中吸水，水塑料使聚合物的尺寸减小，从而降低了 tg，从而允许在低于 51 度的干燥 TG 的温度下进行回收。
通过使用活性细胞培养底物控制的细胞行为的一个例子是临时沟槽底物上细胞骨架组织的变化。在触发恢复之前，肌动蛋白微丝沿凹槽的方向对齐。通过温度升高恢复后，微丝已重组并随机定向。
相反，具有静态、平坦或静态凹槽的对照样品在温度升高后不会重组。在尝试此程序时，重要的是要记住，固化室的几何形状、聚合物的转变温度、应变固定的方法和聚合物本身的成分都可以调整，以实现您自己的实验中所需的转变。遵循此程序。其他方法（如实时 PCR）可用于回答其他问题，例如基因表达在发育后如何响应底物的机械刺激而变化。
这项技术为细胞力学生物学领域的研究人员在二维空间中研究细胞骨架、重排和软物质物理铺平了道路。感谢您对我们工作的关注和观看。
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概述
本文描述了一种使用形状记忆聚合物开发能在培养过程中改变地形的细胞培养基质的方法。该技术允许将聚合物编程成永久形状，可以触发使其恢复，从而影响细胞行为。
关键研究组成部分
科学领域
- 细胞培养
- 生物材料
- 形状记忆聚合物
背景
- 形状记忆聚合物可以记住并返回到永久形状。
- 改变基质地形可以影响细胞行为。
- 该方法适用于各种材料和应用。
- 使用荧光显微镜观察细胞行为的变化。
研究目的
- 开发一个随时间改变地形的基质。
- 研究地形变化对细胞行为的影响。
- 利用智能材料进行创新的细胞培养技术。
使用的方法
- 将形状记忆聚合物编程为永久形状。
- 为细胞铺设创建临时形状。
- 通过增加温度触发聚合物恢复其永久形状。
- 使用荧光显微镜分析细胞行为变化。
主要结果
- 成功编程了形状记忆聚合物。
- 通过荧光显微镜观察到细胞行为的变化。
- 该方法显示了对各种材料的适应性。
- 地形变化显著影响了细胞反应。
结论
- 开发的方法为细胞培养提供了一种新颖的方法。
- 形状记忆聚合物可以有效改变基质地形。
- 该技术在组织工程中具有潜在应用。
常见问题
Executive Industry Relevance
Shape memory polymer (SMP) substrates enable programmable, dynamic control of cell culture topography, directly addressing the need for active mechanobiology platforms in early discovery. This capability supports predictive confidence in cell behavior studies by allowing real-time modulation of the cellular microenvironment. Integrating SMP-based active cell culture systems enhances mechanistic de-risking and informs target validation decisions across discovery and preclinical inflection points.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of cellular responses to dynamic mechanical cues for mechanistic de-risking.
- Supports functional target validation by revealing how cells adapt to changing substrate topographies.
- Facilitates predictive confidence in pathway analysis by controlling environmental variables.
Screening & Assay Development
- Prepares validated, programmable substrates for reproducible mechanobiology assays.
- Standardizes topographical transitions to ensure assay consistency and quantitative outputs.
- Enables scalable screening of compounds under dynamic mechanical conditions.
Translational & Preclinical Research
- Aligns in vitro mechanobiology models with disease-relevant dynamic environments.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation by enabling real-time cell adaptation studies.
- Provides predictive de-risking for tissue engineering and regenerative medicine applications.
Pipeline & Workflow Integration
SMP-based active cell culture platforms fit within the discovery-to-preclinical continuum, bridging early mechanistic studies and translational research.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing on cell-environment interactions and pathway clarification.
- Screening: Delivers reproducible, programmable assay substrates for compound evaluation.
- Analytics: Provides quantitative readouts of cell morphology and cytoskeletal organization via fluorescence imaging.
- Translational Research: Models dynamic tissue environments to inform biomarker and therapeutic development.
- Enterprise Reuse: Offers a reusable platform adaptable to various cell types and mechanobiology questions.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in cell-based assays.
- Operational Value: Standardizes dynamic substrate preparation and enables reproducible mechanobiology workflows.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing dynamic, physiologically relevant data early in the pipeline.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of targets and models for advancement.
Implementation Considerations
- Requires expertise in polymer processing and mechanobiology assay design.
- Needs access to dynamic mechanical analyzers, programmable presses, and fluorescence imaging infrastructure.
- Demands cross-team standardization of substrate preparation and recovery protocols.
- Adaptable to both 2D and 3D culture systems with appropriate protocol modifications.
- Considerations include polymer composition, transition temperature, and topography design for specific applications.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:47
Isothermal UV-Curving of Norland Optical Adhesive 63 (NOA63) and Shape Memory Characterization
3:23
Preparation of Active Cell Culture Substrates
5:11
Active Cell Culture Experiment
7:22
Active Cell Culture on Shape Memory Polymers: Representative Results
10:02
Conclusion
