基于生物打印水凝胶张力宏观非破坏性测量的细胞收缩行为量化

基于表面测量的收缩实验已广泛用于评估 3D 模型中细胞的收缩性。该方法简便且无需专用设备,但无法提供细胞产生的收缩力的定量数据。我们基于功能-能量定理拓展该方法,建立新的生物力学模型,以提供 3D 中细胞产生收缩力的非破坏性纵向监测。我们将此方法应用于接种成纤维细胞或成骨细胞的水凝胶。调控水凝胶力学特性以增强(条件 HCA$_{High}$:水凝胶收缩实验高收缩)或限制(条件 HCA$_{Low}$:水凝胶收缩实验低收缩)细胞收缩行为。宏观测量进一步与细胞收缩行为及其对不同力学环境响应的生理描述分析相关联。成纤维细胞与成骨细胞分别使其基质收缩达 47% 和 77%。收缩应力在第 5 天达到峰值,成纤维细胞为 1.1 10$^{-14}$Pa,成骨细胞为 3.5 10$^{-14}$Pa,与细胞黏附和铺展相关。HCA$_{Low}$ 中观察到可忽略的收缩。成纤维细胞与成骨细胞在 HCA$_{High}$ 和 HCA$_{Low}$ 中均表达 $\alpha$-SMA 收缩纤维。HCA$_{Low}$ 收缩失败归因于水凝胶交联增加及对蛋白降解的抵抗。