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As células têm a capacidade de sentir e responder a estímulos mecânicos dentro de seu microambiente externo 1,2,3, que são cruciais para regular vários processos celulares, incluindo adesão, migração, proliferação e diferenciação4. In vivo, as propriedades mecânicas do microambiente tecidual exibem significativa heterogeneidade espacial, com variações na rigidez da matriz observadas tanto em contextos fisiológicos - como nas junções de osso e músculo - quanto em condições patológicas, como dentro de tumores 5,6,7. Uma investigação abrangente desses fatores mecânicos é essencial para entender os mecanismos regulatórios que governam o comportamento celular. Esses mecanismos são fundamentais em processos como desenvolvimento tecidual, progressão da doença e processo de regeneração e reparo 8,9.
Para simular esse microambiente mecânico complexo in vitro, hidrogéis ou elastômeros são amplamente utilizados para criar substratos com rigidez variável, ajustando o grau de reticulação ou a proporção de componentes 3,10,11,12,13. No entanto, esses métodos geralmente resultam em mudanças discretas de rigidez que não conseguem reproduzir os gradientes de rigidez contínuos em microescala que imitam com precisão as condições fisiológicas 13,14,15,16,17. Estudos recentes exploraram técnicas como reticulação óptica (por exemplo, usando uma fotomáscara para regular a exposição aos raios UV)18, mistura multicanal microfluídica19,20 e meios acionados por difusão21 para construir gradientes de rigidez. Infelizmente, essas abordagens podem ser tecnicamente complexas e introduzir variáveis adicionais, como tamanho damalha22, inchaço23,24 e topografia25. A introdução de fatores de perturbação complica a interpretação das respostas celulares à rigidez. Um sistema PDMS de bicamada, utilizando matrizes de micropilares ou padrões quadriculados como estrutura de suporte, foi adotado para criar substratos de cultura de células com gradientes de rigidez26,27. Essas abordagens dependem de suportes subjacentes discretos sob uma membrana quimicamente homogênea para obter modulação de rigidez isotrópica, fornecendo plataformas valiosas para investigar a adesão e disseminação celular. No entanto, o microambiente celular nativo in vivo é frequentemente altamente anisotrópico em suas propriedades mecânicas28,29. Postula-se que essa sinalização mecânica direcional influencie profundamente os eventos biológicos fundamentais. Portanto, as estratégias atuais de biofabricação são limitadas em sua capacidade de replicar as interações sutis de rigidez celular observadas in vivo, que dependem de imitar com precisão os gradientes de rigidez em microescala e a heterogeneidade espacial dentro de substratos carregados de células.
Pesquisas anteriores demonstraram que as células podem perceber a rigidez efetiva de objetos rígidos mesmo quando não estão em contato celular direto30. Com base neste estudo, introduzimos um novo substrato de cultura de células de polidimetilsiloxano (PDMS) de bicamada que gera gradientes de rigidez controlados em escalas espaciais que variam de 5 a 50 μm, alinhando-se com a faixa de tamanho relevante para mecanosense subcelular e de célula única. O substrato consiste em duas camadas distintas: uma camada inferior rígida de PDMS com microestruturas geométricas ajustáveis e uma camada de sobrecamada de PDMS uniforme e plana que serve como superfície de contato com a célula. Este projeto permite a modulação mecânica apenas por meio de variações na geometria da subestrutura, mantendo a química e a topografia de superfície consistentes. Consequentemente, ele efetivamente desacopla o sinal de rigidez de outras pistas físicas e químicas, oferecendo um sistema mais biologicamente relevante para a modulação da rigidez.
Em contraste com os substratos tradicionais à base de hidrogel, nossa abordagem permite estudos mecânicos de variável única sem interferência de inchaço, tamanho da malha ou topologia da superfície. O substrato é fácil de fabricar usando litografia macia padrão e é altamente reprodutível31. Também é compatível com microscopia de alta resolução, o que o torna particularmente adequado para imagens em tempo real e estudos quantitativos de respostas celulares a sinais de rigidez em microescala. Este manuscrito apresenta o protocolo de fabricação completo, detalha a estratégia de controle de parâmetros e demonstra a utilidade do substrato com experimentos representativos de cultura de células. Em última análise, essa abordagem fornece uma ferramenta in vitro robusta e acessível para explorar as respostas celulares a um gradiente de rigidez em microescala.