微图案化磁流变弹性体驱动心肌细胞排列变化

我们正在研究心肌细胞如何响应其力学环境的动态可逆变化，以模拟它们在体内所经历的刚度和结构波动。自从引入MRE以来，我们在心脏病学领域已发表了多项重要研究。利用这些材料，我们发现成年心肌细胞由刚度诱导的肥大依赖于微管网络。

最近，我们进一步揭示了心肌成纤维细胞和诱导多能干细胞来源的心肌细胞中机械记忆的更多细节。使用磁流变弹性体的最大优势在于其简便性。我们的实验方案正如听起来那样直接，仅需组合市售的现成产品，协同作用即可实现强大功能。

这是一种易于使用的方法，使前沿科学变得人人可及。这为构建更逼真的疾病模型铺平了道路，特别是在心力衰竭等组织力学持续变化的疾病中。同时，它还帮助研究人员设计出更智能的生物材料，这些材料具有高度可调、动态且可逆的特性。

我们的团队主要专注于心脏病研究，但最近我们将磁共振弹性成像（MRE）的动态刚度检测范围从最低5千帕扩展至最高400千帕。这一突破使我们能够将研究拓展至心脏以外的其他器官，并开展相关合作。首先，按10:1的比例混合基础剂与固化剂，制备10克184型聚二甲基硅氧烷（PDMS）。

将五克184 PDMS倒入一个35毫米的培养皿中。然后将培养皿放入真空干燥器中，脱气约5到10分钟，直至所有气泡完全消失。将184 PDMS置于60摄氏度的烘箱中部分固化30分钟。

当固化还剩五分钟时，在衍射光栅表面涂覆一层薄薄的额外184 PDMS。将其放入干燥器中脱气约五分钟。现在，从烘箱中取出含有部分固化的184 PDMS的35毫米培养皿。

将带有PDMS的衍射光栅翻转，放置于培养皿中部分固化的184 PDMS上。轻轻按压衍射光 栅，直至少量PDMS包围其周围。使用剩余未固化的184 PDMS填充光栅周围的培养皿区域，以确保在固化过程中光栅保持固定位置。

然后将培养皿放入设定为 60 摄氏度的烘箱中，加热 1.5 小时。固化后，将带有光栅的培养皿从烘箱中取出。使用解剖刀在衍射光栅周围划线。

用少量异丙醇渗透到衍射光栅下方。沿图案方向将光栅从聚二甲基硅氧烷（PDMS）上剥离。去除多余的PDMS，仅保留带有图案的部分。

然后将PDMS印章切割至所需尺寸。在MRE培养皿上标记图案的方向。为了用硅烷涂覆印章，将制备好的184 PDMS印章放入氧气等离子体清洗仪中，使图案面朝上。

用45瓦的氧气等离子体处理表面30秒。将处理过的184 PDMS印章放入位于通风橱内的干燥器中。现在，撕下微量离心管的管盖。

将微量离心管盖放在干燥器内 PDMS 印模旁边。用移液器吸取 20 µL 硅烷至微量离心管盖中。关闭干燥器并抽真空，以启动蒸气涂层。

制备磁流变弹性体（MRE）时，量取所需量的硅油稀释剂和ECO弹性体B组分，在高速混合器中以2,500转/分钟的速度混合一分钟。将ECO弹性体A组分和羰基铁颗粒加入上述混合物中，再次以2,500转/分钟的速度混合一分钟。使用剪去尖端的移液管，将五克MRE混合物转移至新的35毫米培养皿中。

将样品置于干燥器中脱气约五分钟，然后在60摄氏度的烘箱中部分固化10分钟。当固化剩余五分钟时，使用移液管加入未固化的MRE，用量以恰好覆盖PDMS印章的图案表面为宜。将涂覆好的印章放入干燥器中脱气五分钟。

从烤箱中取出部分固化的MRE培养皿。使用镊子将涂覆的印章翻转并朝下贴在MRE表面，轻轻按压。在MRE培养皿上标记图案的方向。

将组件放回 60 摄氏度的烘箱中继续加热 25 分钟。待材料完全固化后，使用手术刀在印章图案线垂直方向的底边处对磁响应弹性体（MRE）进行划线。在印章周围切割区域滴加少量异丙醇。

然后使用镊子沿图案的平行方向将PDMS印章从MRE上剥离。用70%乙醇清洗MRE表面三次以进行消毒，并让第三次清洗液静置20分钟。随后用无菌PBS清洗MRE表面三次。

在含有镁和钙的 PBS 中，加入浓度为每毫升 10 微克的纤连蛋白，将 MRE 表面在 37 摄氏度下孵育 1 小时，以促进细胞黏附至装置。最后，用含有镁和钙的 PBS 洗涤 MRE 表面三次，并以每平方厘米 20,000 个细胞的密度接种新生大鼠心肌细胞。本图通过归一化高度轮廓以及特征间距和高度的定量测量，展示了从主模板向 MRE 基底转移微图案的保真度。

X方向的轮廓对比显示，MRE的归一化特征高度轮廓与母模轮廓高度一致，但峰值高度略低，特征形状更宽。MRE基底的平均节距约为10 µm，与母模节距无显著差异。MRE基底上的平均特征高度显著低于母模，其平均值分别为3.81 µm和5.49 µm。