Name: 微图案磁流变弹性体驱动心肌细胞排列的变化 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-06-10T12:40:00.000+00:00
Duration: 8 min 10 s
Description: 了解利用微图案磁流变弹性体平台研究新生大鼠心肌细胞在动态基质刚度变化下的排列行为。该方法为探索心脏细胞力学记忆机制提供了有效工具。

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本研究部分得到了特拉华大学肌肉骨骼研究中心COBRE（P20 GM139760）的支持，资助机构为美国国立卫生研究院下属的国家普通医学科学研究所以及特拉华州政府。我们诚挚感谢特拉华大学复合材料中心（CCM）的Sagar Doshi以及特拉华大学Dhong实验室的Ashika Singh，感谢他们允许我们使用其激光共聚焦显微镜，并为我们材料的表面表征提供了必要的专业技术支持。他们的贡献显著提升了本研究的质量。

1. 图案化PDMS印章的制备
注意：PDMS印章因其柔韧性至关重要，便于操作并在制备图案化MRE表面时实现精确接触。印章的柔性特性还可在不损坏图案的前提下轻松从MRE PDMS层上剥离，确保图案的准确转移以及MRE表面的完整保留。
<ol>
	<li>准备10 g的10:1（基础剂：固化剂）184 PDMS。</li>
	<li>将5 g的184 PDMS倒入一个35 mm的培养皿中，并在干燥器中脱气约5–10分钟，直至所有气泡完全消失。</li>
	<li>将184 PDMS置于60 °C的烘箱中部分固化30分钟。</li>
	<li>当184 PDMS还剩5分钟完成部分固化时，向衍射光栅上添加一层薄薄的额外184 PDMS，并在干燥器中脱气约5分钟。</li>
	<li>从烘箱中取出带有部分固化184 PDMS的35 mm培养皿。</li>
	<li>将带有PDMS的衍射光栅翻转，贴合到35 mm培养皿中部分固化的184 PDMS上。 
	注意：确保衍射光栅朝下，与35 mm培养皿中部分固化的184 PDMS接触。</li>
	<li>轻轻按压衍射光栅，直到有少量184 PDMS包围光栅边缘。</li>
	<li>使用剩余未固化的184 PDMS填充光栅周围的培养皿区域，以确保其在固化过程中保持固定。</li>
	<li>将含有衍射光栅的培养皿放入设定为60 °C的烘箱中加热1.5小时。</li>
	<li>待184 PDMS完全固化后，从烘箱中取出带有衍射光栅的35 mm培养皿。</li>
	<li>用手术刀在衍射光栅周围划痕。</li>
	<li>滴加少量异丙醇（IPA），使其渗入衍射光栅下方。</li>
	<li>沿光栅图案的平行方向将光栅从184 PDMS上剥离。</li>
	<li>去除多余的184 PDMS，仅保留带有图案的区域。</li>
	<li>将184 PDMS印章切割至所需尺寸。 
	注意：本研究中器件使用的印章尺寸为1 cm × 1 cm。</li>
</ol>
2. PDMS印章的表面包被
注意：硅烷处理会在表面形成一层涂层，防止在压印过程中PDMS层之间发生非预期的粘连，确保顺利分离并保持图案转移的质量。
<ol>
	<li>硅烷处理（推荐方法）
	<ol>
		<li>将制备好的184 PDMS印章图案面朝上放入O2等离子体清洗仪中，用45 W的O2等离子体处理30秒。 
		注意：从等离子体清洗仪取出后，应立即用盖子（或覆盖物）盖住印章，以确保无灰尘或其他微粒落在已清洁的印章表面。</li>
		<li>将184 PDMS印章放入通风橱内的干燥器中。</li>
		<li>撕下微量离心管管盖。</li>
		<li>将微量离心管管盖放置在干燥器内184 PDMS印章旁。</li>
		<li>向微量离心管管盖中加入20 µL三氯(1H, 1H, 2H, 2H-全氟辛基)硅烷。 
		注意：该化学品对健康有害，必须仅在化学通风橱内操作。</li>
		<li>关闭干燥器并抽真空。</li>
		<li>使硅烷蒸汽对印章进行包覆处理，处理时间从1小时至过夜。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 磁流变弹性体的制备
注意：通过精确控制羰基铁颗粒与弹性体的比例，并结合施加磁场，可实现可调且可逆的磁流变弹性体（MRE）。通过调节颗粒含量、基体弹性体模量以及磁场强度，可精细调控材料的刚度，以满足特定需求。
<ol>
	<li>较软动态范围磁流变弹性体（MRE）制备（示例重量参见表1）
	<ol>
		<li>称取所需量的硅胶稀释剂和Eco弹性体B组分，在高速混合器中以2500 rpm转速混合1分钟。</li>
		<li>向溶液中加入Eco弹性体A组分和羰基铁颗粒，在高速混合器中以2500 rpm转速混合1分钟。 
		注：混合顺序至关重要，以确保理想的聚合时间控制。</li>
		<li>使用剪去尖端的移液管，将5 g MRE加入一个新的35 mm培养皿中，在真空干燥器中脱气约5分钟，然后在60 °C烘箱中部分固化约10分钟。 
		注：确保烘箱和真空干燥器水平放置，对于获得平整样品至关重要，这直接影响成像的便利性。</li>
		<li>当剩余5分钟时，使用移液管加入少量未固化的MRE，仅覆盖184 PDMS印章表面。将涂覆好的印章放入真空干燥器中脱气5分钟。 
		注：注意不要使用过多MRE，否则若覆盖印章边缘，将导致MRE完全固化后难以移除印章。同时，务必在每一步骤中标明图案方向，以便在从MRE上取下印章时，能沿与图案平行的方向剥离。</li>
		<li>将MRE从烘箱中取出，用一对镊子小心移动已涂覆的印章，将其翻转并正面朝下贴合到部分固化的MRE表面，轻轻按压。将MRE与印章一起放回60 °C烘箱中继续固化25分钟。</li>
		<li>完全固化后，使用手术刀在印章底部垂直于图案方向划痕。</li>
		<li>在印章周围的切口区域滴加少量异丙醇（IPA）。 
		注：异丙醇应渗入切口并开始在印章下方扩散。</li>
		<li>使用镊子沿与图案平行的方向将印章从MRE上剥离。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>较硬动态范围MRE制备（示例重量参见表格）
	<ol>
		<li>制备30:1比例的184 PDMS。 
		注：需多准备一些，因部分会残留在混合容器中。</li>
		<li>按表格示例比例，加入所需量的527 PDMS A组分和B组分，随后加入羰基铁颗粒和30:1比例的184 PDMS。&#160;</li>
		<li>在高速混合器中以2500 rpm转速混合1分钟。</li>
		<li>使用剪去尖端的移液管，将5 g MRE加入一个新的35 mm培养皿中，在真空干燥器中脱气约5分钟，然后在60 °C烘箱中部分固化约40分钟。</li>
		<li>当剩余5分钟时，使用移液管加入少量未固化的MRE，仅覆盖PDMS印章表面。将涂覆好的印章放入真空干燥器中脱气5分钟。 
		注：注意不要使用过多MRE，否则若覆盖印章边缘，将导致MRE完全固化后难以移除印章。同时，务必在每一步骤中标明图案方向，以便在从MRE上取下印章时，能沿与图案平行的方向剥离。</li>
		<li>将MRE从烘箱中取出。</li>
		<li>用一对镊子小心移动已涂覆的印章，将其翻转并正面朝下贴合到部分固化的MRE表面，轻轻按压。</li>
		<li>将带有涂覆印章的MRE置于烘箱顶层架子上，在60 °C下过夜固化。</li>
		<li>完全固化后，使用手术刀在印章底部垂直于图案方向切割MRE。</li>
		<li>在印章周围的切口区域滴加异丙醇（IPA）。 
		注：异丙醇应渗入切口并开始在印章下方扩散。</li>
		<li>使用镊子沿与图案平行的方向将印章从MRE上剥离。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td></td>
			<td>硬度范围</td>
			<td>材料</td>
			<td colspan="2">示例用量</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="3">较软</td>
			<td rowspan="3">10–80 kPa</td>
			<td>Eco (A+B)</td>
			<td>11.25 g (A)</td>
			<td>11.25 g (B)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>硅油稀释剂</td>
			<td colspan="2">22.5 g</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>铁颗粒</td>
			<td colspan="2">45 g</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="3">较硬</td>
			<td rowspan="3">60–120 kPa</td>
			<td>527 PDMS (A+B)</td>
			<td>18.75 g (A)</td>
			<td>18.75 g (B)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>铁颗粒</td>
			<td colspan="2">37.5 g</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>184 PDMS (Base+Cure)</td>
			<td>14.5 g (Base)</td>
			<td>0.5 g (Cure)</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1：制备较软和较硬磁性橡胶执行器（MRE）所需所有材料的示例质量。 表中所列质量用于制备总共90 g的MRE材料。若需制备更少量，可按表中示例质量的比例混合所有组分。
4. 细胞培养准备
注意：细胞培养准备包括选择合适的细胞系、配制含有必要营养物质和生长因子的培养基，以及确保无菌条件以防止污染。将细胞接种于培养容器中，并在最佳条件下（通常为37 °C并控制CO2浓度）进行培养。通过定期观察、更换培养基和传代，以维持细胞的健康生长。
<ol>
	<li>用70%乙醇清洗MRE表面3次以进行表面灭菌，并让第三次清洗液静置20分钟。</li>
	<li>用无菌磷酸盐缓冲液（PBS）清洗MRE表面3次，每次加入足量液体完全覆盖培养皿，随后吸除所有液体。</li>
	<li>在37 °C条件下，用含纤维连接蛋白（10 µg/mL）的PBS溶液对MRE表面进行包被处理1小时，以促进细胞在装置上的黏附。</li>
	<li>用PBS清洗MRE表面3次，操作方式同步骤4.1.2。</li>
	<li>以20,000个细胞/cm2的密度接种新生大鼠心肌细胞。</li>
	<li>在培养过程中暂时将磁铁添加到装置上，以增加基质刚度。 
	注意：将带有磁铁的装置放入培养箱时需小心操作。装置之间应保持足够距离，以确保磁铁不发生相互作用。本研究建议使用不锈钢内衬培养箱而非铜内衬培养箱，因前者磁干扰更小。</li>
</ol>
5. 染色与成像
<ol>
	<li>固定细胞成像 
	注意：固定细胞成像包含多个关键步骤，用于可视化特定的细胞组分。首先，对细胞进行固定以保存其结构。接着，对细胞膜进行通透处理，以便染料能够进入细胞，然后进行封闭步骤，防止抗体或染料非特异性地结合到非目标位点（如其他蛋白质或细胞碎片）。随后，使用靶向特定分子的染料或抗体对细胞进行染色，并通过洗涤去除多余的染料。最后，利用荧光显微镜对染色后的细胞进行成像，以分析细胞结构。
	<ol>
		<li>加入足量的1× PBS，完全覆盖培养皿，洗涤一次，随后吸去所有液体。</li>
		<li>使用4%（v/v）多聚甲醛固定细胞10分钟。</li>
		<li>用1× PBS洗涤三次（操作同步骤5.1.1）。</li>
		<li>加入含0.1% Triton X的1× PBS，孵育5分钟以实现通透。</li>
		<li>用1× PBS洗涤三次（操作同步骤5.1.1）。</li>
		<li>加入含50 mM NH4Cl的1× PBS，孵育15分钟以淬灭背景。</li>
		<li>用1× PBS洗涤三次（操作同步骤5.1.1）。</li>
		<li>加入封闭缓冲液（含5% BSA的1× PBS），室温（RT）孵育1小时。</li>
		<li>将抗α-肌动蛋白（Anti-α-Actinin）一抗按1:200比例加入含5% BSA的1× PBS中。 
		注意：充分混匀抗体溶液。</li>
		<li>将一抗溶液加入样本中。 
		注意：加入足量溶液以完全覆盖整个样本。</li>
		<li>在4 °C下孵育过夜。 
		注意：可考虑将样本置于摇床上以低速轻轻振荡，有助于溶液混合。</li>
		<li>用1× PBS洗涤三次（操作同步骤5.1.1）。</li>
		<li>将二抗（555 Alexa Fluor山羊抗小鼠）用1× PBS稀释至1:2000。 
		注意：二抗含有对光敏感的荧光基团。未使用时应避光保存，避免暴露于光照下。</li>
		<li>将二抗溶液加入样本中。</li>
		<li>室温孵育2小时。</li>
		<li>用1× PBS洗涤三次（操作同步骤5.1.1）。</li>
		<li>加入DAPI（1 µg/mL溶于无菌去离子水），避光孵育5–10分钟。</li>
		<li>使用配备20倍浸入式物镜的正置显微镜对细胞进行成像。</li>
		<li>每个装置采集50张图像。</li>
		<li>使用ImageJ插件“Directionality”处理图像。 
		注意：Directionality参数设置：本研究采用45个角度区间（n = 45），范围从0°至176°，以避免角度环绕效应；方法选择局部梯度方向（local gradient orientation），并启用结果显示表格。方向输出值对应平均矢量角度（表示排列方向），而优度输出值代表平均矢量长度（表示排列程度）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>活细胞成像 
	注意：活细胞成像可在细胞保持自然、活性状态的前提下，实时追踪动态的细胞过程。该技术利用配备培养箱的荧光显微镜，对细胞在生长、分裂或响应刺激过程中的行为进行高分辨率图像或视频采集，从而实现对细胞行为和相互作用的动态研究，为理解细胞功能与动态提供重要信息。
	<ol>
		<li>将SiR-actin以1:1000的比例加入培养基中，37 °C孵育1小时。</li>
		<li>吸去原培养基，更换为1:2000（SiR-actin: 培养基）的稀释液。 
		注意：此稀释比例旨在降低长期活细胞成像过程中的细胞毒性。</li>
		<li>在配备培养箱、自动载物台和20倍浸入式物镜的正置显微镜上，每15分钟采集一次免疫荧光图像，持续5小时。 
		注意：在活细胞成像实验中，一旦将MRE放入活细胞成像系统，立即加入磁铁。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Jacot, J. G., McCulloch, A. D., Omens, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Substrate+stiffness+affects+the+functional+maturation+of+neonatal+rat+ventricular+myocytes%5BTitle%5D)+AND+%22Biophys+J%22%5BJournal%5D)">Substrate stiffness affects the functional maturation of neonatal rat ventricular myocytes.</a> Biophys J. 95 (7), 3479-3487 (2008).</li>
<li>Körner, A., Mosqueira, M., Hecker, M., Ullrich, N. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Substrate+stiffness+influences+structural+and+functional+remodeling+in+induced+pluripotent+stem+cell-derived+cardiomyocytes%5BTitle%5D)+AND+%22Front+Physiol%22%5BJournal%5D)">Substrate stiffness influences structural and functional remodeling in induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes.</a> Front Physiol. 12, 710619(2021).</li>
<li>Dou, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+microdevice+platform+for+characterizing+the+effect+of+mechanical+strain+magnitudes+on+the+maturation+of+iPSCcardiomyocytes%5BTitle%5D)+AND+%22Biosens+Bioelectron%22%5BJournal%5D)">A microdevice platform for characterizing the effect of mechanical strain magnitudes on the maturation of iPSCcardiomyocytes.</a> Biosens Bioelectron. 175, 112875(2021).</li>
<li>Abadi, P. P. S. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Engineering+of+mature+human+induced+pluripotent+stem+cellderived+cardiomyocytes+using+substrates+with+multiscale+topography%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Funct+Mater%22%5BJournal%5D)">Engineering of mature human induced pluripotent stem cellderived cardiomyocytes using substrates with multiscale topography.</a> Adv Funct Mater. 28 (19), 1707378(2018).</li>
<li>Ahn, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hierarchical+topography+with+tunable+micro+and+nanoarchitectonics+for+highly+enhanced+cardiomyocyte+maturation+via+multiscale+mechanotransduction%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Healthc+Mater%22%5BJournal%5D)">Hierarchical topography with tunable micro and nanoarchitectonics for highly enhanced cardiomyocyte maturation via multiscale mechanotransduction.</a> Adv Healthc Mater. 12 (12), 2202371(2023).</li>
<li>Chan, Y. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrical+stimulation+promotes+maturation+of+cardiomyocytes+derived+from+human+embryonic+stem+cells%5BTitle%5D)+AND+%22J+Cardiovasc+Transl+Res%22%5BJournal%5D)">Electrical stimulation promotes maturation of cardiomyocytes derived from human embryonic stem cells.</a> J Cardiovasc Transl Res. 6 (6), 989-999 (2013).</li>
<li>Hirt, M. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+improvement+and+maturation+of+rat+and+human+engineered+heart+tissue+by+chronic+electrical+stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22J+Mol+Cell+Cardiol%22%5BJournal%5D)">Functional improvement and maturation of rat and human engineered heart tissue by chronic electrical stimulation.</a> J Mol Cell Cardiol. 74, 151-161 (2014).</li>
<li>Levental, I., Georges, P. C., Janmey, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Soft+biological+materials+and+their+impact+on+cell+function%5BTitle%5D)+AND+%22Soft+Matter%22%5BJournal%5D)">Soft biological materials and their impact on cell function.</a> Soft Matter. 3 (3), 299-306 (2007).</li>
<li>Swift, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nuclear+laminA+scales+with+tissue+stiffness+and+enhances+matrixdirected+differentiation%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Nuclear laminA scales with tissue stiffness and enhances matrixdirected differentiation.</a> Science. 341 (6149), 1240104(2013).</li>
<li>Isermann, P., Lammerding, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nuclear+mechanics+and+mechanotransduction+in+health+and+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Curr+Biol%22%5BJournal%5D)">Nuclear mechanics and mechanotransduction in health and disease.</a> Curr Biol. 23 (24), R1113-R1121 (2013).</li>
<li>Wozniak, M. A., Chen, C. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanotransduction+in+development%3A+a+growing+role+for+contractility%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Rev+Mol+Cell+Biol%22%5BJournal%5D)">Mechanotransduction in development: a growing role for contractility.</a> Nat Rev Mol Cell Biol. 10 (1), 34-43 (2009).</li>
<li>Yang, X., Pabon, L., Murry, C. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Engineering+adolescence%5BTitle%5D)+AND+%22Circ+Res%22%5BJournal%5D)">Engineering adolescence.</a> Circ Res. 114 (3), 511-523 (2014).</li>
<li>Hazeltine, L. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+substrate+mechanics+on+contractility+of+cardiomyocytes+generated+from+human+pluripotent+stem+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Cell+Biol%22%5BJournal%5D)">Effects of substrate mechanics on contractility of cardiomyocytes generated from human pluripotent stem cells.</a> Int J Cell Biol. 2012, 508294(2012).</li>
<li>Discher, D. E., Janmey, P., Wang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tissue+cells+feel+and+respond+to+the+stiffness+of+their+substrate%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Tissue cells feel and respond to the stiffness of their substrate.</a> Science. 310 (5751), 1139-1143 (2005).</li>
<li>Deng, B., Zhao, Z., Kong, W., Han, C., Shen, X., Zhou, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biological+role+of+matrix+stiffness+in+tumor+growth+and+treatment%5BTitle%5D)+AND+%22J+Transl+Med%22%5BJournal%5D)">Biological role of matrix stiffness in tumor growth and treatment.</a> J Transl Med. 20 (1), 540(2022).</li>
<li>Jaalouk, D. E., Lammerding, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanotransduction+gone+awry%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Rev+Mol+Cell+Biol%22%5BJournal%5D)">Mechanotransduction gone awry.</a> Nat Rev Mol Cell Biol. 10 (1), 63-73 (2009).</li>
<li>Vite, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Extracellular+stiffness+induces+contractile+dysfunction+in+adult+cardiomyocytes+via+cellautonomous+and+microtubuledependent+mechanisms%5BTitle%5D)+AND+%22Basic+Res+Cardiol%22%5BJournal%5D)">Extracellular stiffness induces contractile dysfunction in adult cardiomyocytes via cellautonomous and microtubuledependent mechanisms.</a> Basic Res Cardiol. 117 (1), 41(2023).</li>
<li>Stowers, R. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Matrix+stiffness+induces+a+tumorigenic+phenotype+in+mammary+epithelium+through+changes+in+chromatin+accessibility%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Biomed+Eng%22%5BJournal%5D)">Matrix stiffness induces a tumorigenic phenotype in mammary epithelium through changes in chromatin accessibility.</a> Nat Biomed Eng. 3 (12), 1009-1019 (2019).</li>
<li>Engler, A. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Embryonic+cardiomyocytes+beat+best+on+a+matrix+with+heartlike+elasticity%3A+scarlike+rigidity+inhibits+beating%5BTitle%5D)+AND+%22J+Cell+Sci%22%5BJournal%5D)">Embryonic cardiomyocytes beat best on a matrix with heartlike elasticity: scarlike rigidity inhibits beating.</a> J Cell Sci. 121 (22), 3794-3802 (2008).</li>
<li>Rodriguez, A. G., Han, S. J., Regnier, M., Sniadecki, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Substrate+stiffness+increases+twitch+power+of+neonatal+cardiomyocytes+in+correlation+with+changes+in+myofibril+structure+and+intracellular+calcium%5BTitle%5D)+AND+%22Biophys+J%22%5BJournal%5D)">Substrate stiffness increases twitch power of neonatal cardiomyocytes in correlation with changes in myofibril structure and intracellular calcium.</a> Biophys J. 101 (10), 2455-2464 (2011).</li>
<li>Boothe, S. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+effect+of+substrate+stiffness+on+cardiomyocyte+action+potentials%5BTitle%5D)+AND+%22Cell+Biochem+Biophys%22%5BJournal%5D)">The effect of substrate stiffness on cardiomyocyte action potentials.</a> Cell Biochem Biophys. 74 (4), 527-535 (2016).</li>
<li>Curtis, A., Wilkinson, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Topographical+control+of+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Topographical control of cells.</a> Biomaterials. 18 (24), 1573-1583 (1997).</li>
<li>Martínez, E., Engel, E., Planell, J. A., Samitier, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+artificial+micro+and+nanostructured+surfaces+on+cell+behaviour%5BTitle%5D)+AND+%22Ann+Anat%22%5BJournal%5D)">Effects of artificial micro and nanostructured surfaces on cell behaviour.</a> Ann Anat. 191 (1), 126-135 (2009).</li>
<li>Ravichandran, R., Liao, S., Ng, C. C., Chan, C. K., Raghunath, M., Ramakrishna, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+nanotopography+on+stem+cell+phenotypes%5BTitle%5D)+AND+%22World+J+Stem+Cells%22%5BJournal%5D)">Effects of nanotopography on stem cell phenotypes.</a> World J Stem Cells. 1 (1), 55(2009).</li>
<li>Brunetti, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neurons+sense+nanoscale+roughness+with+nanometer+sensitivity%5BTitle%5D)+AND+%22Proc+Natl+Acad+Sci+U+S+A%22%5BJournal%5D)">Neurons sense nanoscale roughness with nanometer sensitivity.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 107 (14), 6264-6269 (2010).</li>
<li>Clark, P., Connolly, P., Curtis, A. S. G., Dow, J. A., Wilkinson, C. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Topographical+control+of+cell+behaviour%3A+I.+Simple+step+cues%5BTitle%5D)+AND+%22Development%22%5BJournal%5D)">Topographical control of cell behaviour: I. Simple step cues.</a> Development. 99 (3), 439-448 (1987).</li>
<li>Nguyen, A. T., Sathe, S. R., Yim, E. K. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+nano+to+micro%3A+topographical+scale+and+its+impact+on+cell+adhesion%2C+morphology+and+contact+guidance%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys+Condens+Matter%22%5BJournal%5D)">From nano to micro: topographical scale and its impact on cell adhesion, morphology and contact guidance.</a> J Phys Condens Matter. 28 (18), 183001(2016).</li>
<li>DowellMesfin, N. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Topographically+modified+surfaces+affect+orientation+and+growth+of+hippocampal+neurons%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neural+Eng%22%5BJournal%5D)">Topographically modified surfaces affect orientation and growth of hippocampal neurons.</a> J Neural Eng. 1 (2), 78-90 (2004).</li>
<li>Loesberg, W. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+threshold+at+which+substrate+nanogroove+dimensions+may+influence+fibroblast+alignment+and+adhesion%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">The threshold at which substrate nanogroove dimensions may influence fibroblast alignment and adhesion.</a> Biomaterials. 28 (27), 3944-3951 (2007).</li>
<li>Corbin, E. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tunable+and+reversible+substrate+stiffness+reveals+a+dynamic+mechanosensitivity+of+cardiomyocytes%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Appl+Mater+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Tunable and reversible substrate stiffness reveals a dynamic mechanosensitivity of cardiomyocytes.</a> ACS Appl Mater Interfaces. 11 (23), 20603-20614 (2019).</li>
<li>Bouhrira, N., Vite, A., Margulies, K. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Distinct+cytoskeletal+regulators+of+mechanical+memory+in+cardiac+fibroblasts+and+cardiomyocytes%5BTitle%5D)+AND+%22Basic+Res+Cardiol%22%5BJournal%5D)">Distinct cytoskeletal regulators of mechanical memory in cardiac fibroblasts and cardiomyocytes.</a> Basic Res Cardiol. 119 (2), 277-289 (2024).</li>
<li>Lee, B. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Adult+human+cardiomyocyte+mechanics+in+osteogenesis+imperfecta%5BTitle%5D)+AND+%22Am+J+Physiol+Heart+Circ+Physiol%22%5BJournal%5D)">Adult human cardiomyocyte mechanics in osteogenesis imperfecta.</a> Am J Physiol Heart Circ Physiol. 325 (4), H814-H821 (2023).</li>
<li>Cao, Z., Ball, J. K., Lateef, A. H., Virgile, C. P., Corbin, E. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biomimetic+substrate+to+probe+dynamic+interplay+of+topography+and+stiffness+on+cardiac+fibroblast+activation%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Omega%22%5BJournal%5D)">Biomimetic substrate to probe dynamic interplay of topography and stiffness on cardiac fibroblast activation.</a> ACS Omega. 8 (6), 5406-5414 (2023).</li>
<li>Clark, A. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnetic+field+tuning+of+mechanical+properties+of+ultrasoft+PDMSbased+magnetorheological+elastomers+for+biological+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Multifunct+Mater%22%5BJournal%5D)">Magnetic field tuning of mechanical properties of ultrasoft PDMSbased magnetorheological elastomers for biological applications.</a> Multifunct Mater. 4 (3), 035001(2021).</li>
<li>Kim, Y., Kwon, C., Jeon, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Genetically+engineered+phage+induced+selective+H9c2+cardiomyocytes+patterning+in+PDMS+microgrooves%5BTitle%5D)+AND+%22Materials%22%5BJournal%5D)">Genetically engineered phage induced selective H9c2 cardiomyocytes patterning in PDMS microgrooves.</a> Materials. 10 (8), 973(2017).</li>
<li>Fujiwara, Y., Deguchi, K., Miki, K., Nishimoto, T., Yoshida, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+method+for+contraction+force+measurement+of+hiPSCderived+engineered+cardiac+tissues%5BTitle%5D)+AND+%22Methods+Mol+Biol%22%5BJournal%5D)">A method for contraction force measurement of hiPSCderived engineered cardiac tissues.</a> Methods Mol Biol. 2320, 171-180 (2021).</li>
<li>Dirar, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Activation+and+degranulation+of+CART+cells+using+engineered+antigenpresenting+cell+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">Activation and degranulation of CART cells using engineered antigenpresenting cell surfaces.</a> PLoS One. 15 (9), e0238819(2020).</li>
<li>Kim, C., Kim, H., Park, H., Lee, K. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlling+the+porous+structure+of+alginate+ferrogel+for+anticancer+drug+delivery+under+magnetic+stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22Carbohydr+Polym%22%5BJournal%5D)">Controlling the porous structure of alginate ferrogel for anticancer drug delivery under magnetic stimulation.</a> Carbohydr Polym. 223, 115045(2019).</li>
<li>Fan, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recent+advances+of+magnetic+nanomaterials+in+bone+tissue+repair%5BTitle%5D)+AND+%22Front+Chem%22%5BJournal%5D)">Recent advances of magnetic nanomaterials in bone tissue repair.</a> Front Chem. 8, 745(2020).</li>
<li>GonzalezRico, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tuning+the+cell+and+biological+tissue+environment+through+magnetoactive+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Sci%22%5BJournal%5D)">Tuning the cell and biological tissue environment through magnetoactive materials.</a> Appl Sci. 11 (18), 8746(2021).</li>
<li>AntmanPassig, M., Shefi, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Remote+magnetic+orientation+of+3D+collagen+hydrogels+for+directed+neuronal+regeneration%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Remote magnetic orientation of 3D collagen hydrogels for directed neuronal regeneration.</a> Nano Lett. 16 (4), 2567-2573 (2016).</li>
</ol>

作者声明无利益冲突。

该技术虽已经过严格验证，但要成功完成实验，必须仔细关注多个步骤。
在本实验方案中，我们使用商用衍射光栅作为图案化的主模具。然而，也可采用其他图案化模具（如硅或SU8微加工模具），以制备不同尺寸的多种图案33,35。一些市售的PDMS材料已预先制备好图案36,37，也可作为有效印章用于构建力学调控环境。虽然使用高速混合器可简化PDMS或硅胶与羰基铁颗粒的混合过程，但通过手动混合结合涡旋振荡，且将振荡时间延长至高速混合器所需时间的约两倍，也可达到相同效果。
许多实验室可能无法获得等离子氧（O2）清洗仪，因此我们提供一种替代的表面处理方法，以更便于分离聚二甲基硅氧烷（PDMS）印章。该方法无需使用硅烷处理，而可有效采用异丙醇（IPA）与普通洗洁精的混合液。具体操作为配制体积比为2...

心脏高效泵血的能力依赖于心肌的结构及其力学特性（刚度），其中细胞和组织的精确排列对于协调收缩和整体功能至关重要。心肌主要由心肌细胞（CMs）构成，在成人体内，这些细胞呈细长的、近乎杆状的形态，其肌节（心肌细胞的收缩单位）沿细胞长轴方向有序排列。相比之下，胎儿来源或诱导性多能干细胞（iPSC）分化而来的心肌细胞与成人心肌细胞存在显著差异：它们通常形态更趋圆形，仅含一个细胞核，肌节结构紊乱或未对齐，且搏动频率不规则。体内心肌组织的结构相似性有助于实现收缩同步和力的传递；这对于通过体外模型重现天然心肌功能极为关键。为了获得结构特征接近成熟心肌的心肌细胞，既往研究已证明多种促进细胞成熟的策略具有成效，包括调控基底刚度1,2、施加机械应变3、利用接触引导效应4,5，或采用电刺激起搏6,7。
长期以来，人们认识到细胞外环境的刚度会影响细胞行为。人体内存在广泛的刚度差异，从脑组织的数百帕斯卡（Pa）到骨组织的数十吉帕斯卡（GPa）不等8,9,10。研究发现，在发育过程中，组织的刚度会发生变化，这种改变可调控细胞水平的分化和成熟，进而形成维持正常功能所必需的成年表型11,12,13,14。刚度的变化也与疾病状态及特定病理的进展相关15,16,17,18。具体而言，心肌组织的刚度会随着疾病的产生和发展而改变；例如，健康心肌的弹性模量约为10 kPa，而衰竭心脏的弹性模量则可达35–70 kPa甚至更高19。此外，大量体外（in vitro）研究表明，在刚度接近天然心肌的基底上培养的心肌细胞具有更佳的肌节排列结构20，能够产生最佳的收缩力1,19，并表现出最长的动作电位时程21。
此外，人们越来越认识到细胞 体内 在它们的微环境中会接触到多种复杂的拓扑信号，这些信号调控着细胞的形态与功能。这些拓扑信号具有不同的尺寸和几何特征，其尺度范围从分子水平上整合素的随机排列，到肌肉组织中细胞在微米尺度上的有序排列。22,23与其它机械调控因素类似，拓扑结构对细胞形态具有重要影响，例如细胞铺展、伸长、排列、迁移、分化和凋亡24,25,26随着合成培养基质的引入，已开发出多种方法用于构建可控的细胞与组织培养表面形貌27,28,29例如，已采用微图案化的纳米和微米级沟槽为哺乳动物细胞提供接触引导，使细胞定向并重塑其细胞骨架，以沿培养基底的拓扑结构排列。
本文介绍一种体外（in vitro）培养方法，该方法结合了结构引导（接触提示）与力学引导（刚度），利用一种可调控的磁流变弹性体（MRE）基底材料实现。该材料可通过调节磁场强度实现刚度的增强或减弱17,30,31,32。通过将磁体置于培养基底附近，可提高基底刚度，且通过调节样品与磁体之间的距离，可灵活控制刚度增强的程度；反之，移除磁体即可降低基底刚度。该方法提供了一种稳定、动态且可控的手段，用于模拟体内（in vivo）类似的力学环境，同时通过表面微图案化引入各向异性，从而构建更接近生物真实状态的二维细胞培养基底。

<table><tbody><tr><td>555 Alexa Fluor 山羊抗小鼠二抗&amp;nbsp;</td><td>赛默飞世尔科技</td><td>A-21422</td><td>https://www.thermofisher.com/antibody/product/山羊抗小鼠IgG（H+L）交叉吸附二抗多克隆/A-21422</td></tr><tr><td>20倍浸入式物镜</td><td>Zeiss</td><td>421452-9800-000</td><td>https://www.micro-shop.zeiss.com/zh/us/shop/objectives/421452-9800-000/Objective-W-Plan-Apochromat-20x-1.0-DIC-M27-75mm</td></tr><tr><td>35 mm 培养皿</td><td>赛默飞世尔科技</td><td>130180</td><td>https://www.thermofisher.com/search/results?query=130180&amp;amp;研究领域=搜索全部</td></tr><tr><td>抗α-肌动蛋白素一抗</td><td>abcam</td><td>EP2528Y</td><td>https://www.abcam.com/zh-cn/products/primary-antibodies/alpha-actinin-actn1-antibody-ep2528y-ab81265?srsltid=AfmBOoq4HwHixqCheQwwq&lt;br/&gt; VVbjJ3ogKUmZxa4GtG&lt;br/&gt; 3SyllFzWvb5XPnwgB</td></tr><tr><td>羰基铁粉微球</td><td>chemicalstore.com</td><td>CIPMS</td><td>https://ironpowders.com/types-of-iron-powder/cipms-carbonyl-iron-powder/</td></tr><tr><td>DAPI 染色</td><td>ThermoFisher Scientific</td><td>D1306</td><td>https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/D1306</td></tr><tr><td>干燥器</td><td>Fisher Scientific</td><td>08-642-7</td><td>https://www.fishersci.com/shop/products/nalgene-transparent-polycarbonate-classic-design-desiccator/086427#?keyword=</td></tr><tr><td>衍射光栅</td><td>Thor Labs</td><td>GR2550-45031</td><td>https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=GR2550-45031</td></tr><tr><td>Ecoflex Gel 组分 A &amp;amp; B</td><td>Smooth On</td><td>Ecoflex&amp;nbsp;凝胶</td><td>https://www.smooth-on.com/products/ecoflex-gel/</td></tr><tr><td>扩展型台式等离子清洗机</td><td>Sigma Aldrich</td><td>Z561657-1EA</td><td>https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/aldrich/z561657</td></tr><tr><td>牛血浆来源的纤连蛋白</td><td>Sigma Aldrich</td><td>F1141</td><td>https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sigma/f1141</td></tr><tr><td>Flacktek DAC150 SpeedMixer&amp;nbsp;</td><td>Flacktek</td><td>DAC150</td><td>https://flacktek.com/products/small-flacktek/</td></tr><tr><td>ImageJ 软件</td><td>美国国立卫生研究院</td><td></td><td>https://imagej.net/ij/download.html</td></tr><tr><td>异丙醇</td><td>亚马逊</td><td></td><td>https://www.amazon.com/Isopropyl-Alcohol-Grade-Anhydrous-gallon/dp/B01M6YK5I4/ref=sr_1_1_sspa?dib=eyJ2IjoiMSJ9.xiBzaAiE5lSJqXz&lt;br/&gt; ZhS_JhDh8zEHgkMzrbsyosvyBpS&lt;br/&gt; Jjufk90Gt79vk1jOZxq_mG3GKeN8&lt;br/&gt; KT1ulag3ZuMShbWoEOCQUy6txx&lt;br/&gt; uGz4709PyUY5YWyeR2GS0PBNx&lt;br/&gt; dbmEdWvgmCYiDBLf8E2prhImZW&lt;br/&gt; l98MoWlVDU4lg1BtcHTTSOwdg87&lt;br/&gt; 5l6Ia3YLPs_0alILBXFsizwwnJodR&lt;br/&gt; 8D60ZggK5AHBfCfPadXgfJ-9hUE7&lt;br/&gt; uIto.V3Vf62Lnprtq2u5PRO&lt;br/&gt; SbUFHnPOj1FvD7np7uBge6NuU&amp;amp;&lt;br/&gt; dib_tag=se&amp;amp;hvadid=598724400239&lt;br/&gt; &amp;amp;hvdev=c&amp;amp;hvlocphy=9007460&amp;amp;hvn&lt;br/&gt; etw=g&amp;amp;hvqmt=e&amp;amp;hvrand=1609157&lt;br/&gt; 209668794739&amp;amp;hvtargid=kwd-3203&lt;br/&gt; 62094308&amp;amp;hydadcr=5273_13&lt;br/&gt; 227703&amp;amp;关键词=异丙醇&lt;br/&gt; 亚马逊&amp;amp;mcid=9f9d3252906531&lt;br/&gt; 3ea89ab7766d9c244c&amp;amp;qid=1740&lt;br/&gt; 675756&amp;amp;sr=8-1-spons&amp;amp;sp_csd=d2l&lt;br/&gt; kZ2V0TmFtZT1zcF9hdGY&amp;amp;psc=1</td></tr><tr><td>磁性</td><td>CMS磁学</td><td>ND05578-45N</td><td>https://www.magnet4sale.com/n45-neodymium-disc-magnet-1-1-2x1-4-35-lb-pull-strong-magnet/</td></tr><tr><td>尼康Eclipse 80i正置显微镜</td><td>尼康</td><td>Eclipse 80i</td><td></td></tr><tr><td>烘箱</td><td>Fisher Scientific</td><td>15-103-0503</td><td>https://www.fishersci.com/shop/products/fisher-scientific-isotemp-general-purpose-heating-drying-ovens/p-4935382</td></tr><tr><td>硅油稀释剂</td><td>Smooth On</td><td>硅油稀释剂</td><td>https://www.smooth-on.com/products/silicone-thinner/</td></tr><tr><td>SiR-肌动蛋白染色</td><td>细胞骨架</td><td>CY-SC001</td><td>https://www.cytoskeleton.com/sir-actin</td></tr><tr><td>Sylgard 184 PDMS（基础剂 + 固化剂）</td><td>艾利斯沃斯胶粘剂</td><td>2065622</td><td>https://www.ellsworth.com/products/by-market/consumer-products/encapsulants/silicone/dow-sylgard-184-silicone-encapsulant-clear-3.9-kg-kit/</td></tr><tr><td>Sylgard 527 PDMS A 组分 &amp;amp; B</td><td>艾尔斯沃思胶粘剂</td><td>1696742</td><td>https://www.ellsworth.com/products/by-market/consumer-products/encapsulants/silicone/dow-sylgard-527-silicone-dielectric-gel-clear-0.9-kg-kit/</td></tr><tr><td>移液管</td><td>Fisher Scientific</td><td>13-711-5AMMD</td><td>https://www.fishersci.com/shop/products/transfer-pipette-32/137115AMMD?searchHijack=true&amp;amp;13&lt;br/&gt; -711-5AMMD&amp;amp;searchType=&lt;br/&gt; 快速&amp;amp;目录号匹配=13&lt;br/&gt; -711-5AMMD</td></tr><tr><td>三氯-(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)硅烷&amp;nbsp;</td><td>Sigma Aldrich</td><td>448931</td><td>https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/aldrich/448931</td></tr></tbody></table>

微图案化磁流变弹性体驱动心肌细胞排列变化

Micropatterned Magneto-Rheological Elastomers to Drive Changes in Cardiomyocyte Alignment

基底相关的线索（如力学和拓扑结构）对细胞反应具有深远影响。然而，大多数基础研究采用的是静态或孤立的效应。这些力学效应在细胞响应中的作用方向和时间尺度仍 largely 未被探索。用于研究时变性基底相关刺激如何驱动生理和病理过程的工具，可揭示下一层次的力学生物学机制。本文中，我们使用微图案化的磁流变弹性体（MREs），该材料可在外加磁场作用下快速变硬或软化，从而更严格地探究力学（刚度）和接触引导（拓扑）刺激对新生大鼠心肌细胞取向与排列的影响。通过整合可随时间调节并可逆的动态力学刚度控制，我们能够严格检验负荷的影响：（1）在相同条件下进行预处理；（2）急性改变体外（in vitro）生物力学环境，以准确模拟心肌梗死等具有临床相关性的现象。该方法使我们能够以更真实且可控的方式研究负荷对细胞反应的影响。

基于硅胶的超软磁流变弹性体（MREs）具有可通过施加磁场精确调控的弹性模量。这使得其在生理范围内实现快速、双向的调节，并能精确控制变化的速率和幅度（图1）。凝胶力学性能通过测量弹性模量进行评估，方法如前所述。对于较软的动态范围MRE，有磁场时的平均弹性模量为36.3 ± 5.2 kPa，无磁场时为9.3 ± 1.2 kPa；而对于较硬的MRE，有磁场时为51.3 ± 7.0 kPa，无磁场时为40.2 ± 3.7 kPa（图1）30,33,34。MRE微结构图案采用商用衍射光栅作为模具，通过模塑技术制备，其特征高度约为5.5 µm，节距（峰间距离）约为10 µm。图2展示了母模与MRE基底的归一化特征高度比较图，以及平均特征高度和节距的对比结果。母模和最终MRE培养基底的平均...

我们介绍一种利用嵌入铁颗粒的超软硅胶弹性体（聚二甲基硅氧烷，PDMS）制备的动态且可逆刚度检测平台。该新型检测方法适用于研究细胞表型中出现的时间依赖性物理变化，包括接触引导效应。在此，我们通过磁力作用诱导基质刚性化，测量新生大鼠心肌细胞的排列情况。

与基底相关的信号，例如力学和拓扑结构信号，对细胞反应具有深远影响。然而，大量基础研究采用……

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。

micropatterned-magneto-rheological-elastomers-to-drive-changes

Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

微图案磁流变弹性体驱动心肌细胞排列的变化

在本实验方案中，我们展示了利用毛细力光刻技术，采用两种不同的高分子材料制备仿生心脏细胞培养基质的方法。in vitro 和 in vivo...

毛细力光刻技术在心肌组织工程中的应用

生成排列整齐的心肌组织是将干细胞生物学的最新进展应用于临床实用目的的关键要求。本文中，我们描述了一种微接触印刷技术，可精确控制细胞形态与功能。利用高度纯化的胚胎干细胞来源的心脏前体细胞，我们进而生成了各向异性的功能性心肌组织。...

通过微接触印刷技术生成取向功能性心肌组织

我们介绍一种新型聚丙烯酰胺水凝胶，称为羟基-PAAm，可实现细胞外基质蛋白的直接结合，且成本低廉、操作简便。将羟基-PAAm水凝胶与微接触印刷技术结合，可独立调控天然细胞微环境中的多种信号，从而用于研究细胞力学转导。...

用于解耦机械转导信号影响的羟基-PAAm水凝胶的制备

本方案概述了一种利用电子显微镜和共聚焦显微镜图像构建心肌细胞细胞内结构高空间分辨率有限元模型的新方法。通过钙信号传导和生物能量学的案例研究，展示了该高空间分辨率模型的强大功能。...

创建心肌细胞的结构逼真有限元几何模型以研究细胞架构在心肌细胞系统生物学中的作用

本文介绍了一种利用模拟心脏生理环境的电刺激和机械刺激来训练细胞群体的实验方案。这种电机械刺激可增强经处理细胞的心肌生成潜能，是在细胞治疗、疾病建模及药物筛选领域具有前景的策略。...

同步电刺激与机械刺激以增强细胞的心肌生成潜能

采用软光刻技术，利用机械强度高且具有导电性的水凝胶制备一种仿生支架。微图案化水凝胶可实现心肌细胞的定向排列，从而产生特定方向的收缩作用。支架中还集成了柔性微电极，以实现对自搏动心肌组织的电学调控。...

仿生柔性机器人集成微电极

本方案提供了基于磁力的工程化心肌组织后负荷调节平台的构建与实施的详细方法。...

工程化心脏组织中后负荷的磁力调节

本方案介绍了一种无需光刻技术的微图形化方法，操作简便，适用于生物工程背景有限的研究人员。该方法利用定制的激光切割掩膜，将细胞外基质蛋白微图形化为特定形状，以调控细胞形态。本文以诱导多能干细胞来源的心肌细胞为例，演示了微图形化的操作流程。...

使用激光切割模板的简易无光刻单细胞微图案化技术

本方案旨在生成含有源自人诱导性多能干细胞的心血管细胞的网状工程化心肌组织，以用于心脏疾病细胞移植治疗的研究。...

由人iPS细胞衍生的网格状工程化心肌组织制备及其在体内心肌修复中的应用

本方案旨在介绍一种利用微电极阵列记录完整窦房结组织以测量内在心脏起搏频率的新方法，用于识别小鼠的起搏功能缺陷。该方法还可引入药理学试剂，以研究其对内在起搏活动的影响。...

利用微电极阵列记录窦房结放电频率以鉴定小鼠固有心脏起搏功能缺陷

本研究展示了一种灵活的实验方案，采用微孔板格式的荧光标记弹性可收缩表面（FLECS）技术，通过可视化荧光蛋白微图案的位移，实现对单细胞收缩力的简化、免手动定量分析。...

使用微图案化弹性体进行单细胞收缩力的简化高通量分析

了解利用微图案磁流变弹性体平台研究新生大鼠心肌细胞在动态基质刚度变化下的排列行为。该方法为探索心脏细胞力学记忆机制提供了有效工具。

微图案化磁流变弹性体驱动心肌细胞排列变化

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