中科院沈阳自动化所 l 通过双光子聚合技术制造具有周期性微结构的超材料

双光子聚合技术（Two-Photon Polymerization, TPP）是一种高精度的3D微纳加工技术，它通过精确控制微结构的加工来实现对材料的微纳尺度制造。双光子聚合技术能够精确控制微结构的加工，实现高精度、高分辨率的三维微纳结构制造，广泛应用于微光学、微流体、生物医学和微机电系统等领域。

近日，基于微型3D打印结构的机械超材料对细胞排列和迁移的影响是一个前沿的研究方向，中国科学院沈阳自动化研究所的于海波教授团队利用双光子聚合技术制造出具有周期性微结构的机械超材料，并以此为平台研究细胞在不同力学环境下的行为反应。他们的研究为生物医学领域开辟了新的研究方向，并证明了利用机械超材料研究细胞行为的可行性。借助的分享，本期3D科学谷与谷友共同领略关于3D打印这一前沿领域的突破。

▲论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202311951

基于微型3D打印结构的机械超材料对细胞排列和迁移的影响的研究，为生物医学领域提供了新的视角和工具，有望在组织工程、药物筛选、生物传感器等方面发挥重要作用。”

中国科学院沈阳自动化研究所的于海波教授团队在Small上发表了相关论文，他们利用先进的双光子聚合技术，制造出具有周期性微结构的机械超材料，并以此为平台研究细胞在不同力学环境下的行为反应，为生物医学领域开辟了新的研究方向。

细胞的行为和命运与其所处的微环境息息相关，其中细胞外基质 (ECM) 的物理和化学特性发挥着至关重要的作用。ECM 的拓扑结构，特别是其机械特性，如刚度和泊松比，深刻影响着细胞的粘附、增殖、分化和迁移。为了更好地理解细胞与 ECM 之间的复杂相互作用，科学家们一直在努力开发能够精确模拟细胞微环境的体外模型，例如微图案化表面、微流控装置和 3D 支架等。近年来，机械超材料以其独特的力学性能和可定制的结构设计，逐渐成为构建体外模型的新兴平台，为细胞力学研究提供了强大的工具。

然而，构建能够精确模拟 ECM 机械特性的机械超材料并非易事。首先，制造具有精确可控微观结构的超材料需要高精度和高分辨率的加工技术。传统的制造方法，如光刻和软光刻，在制造复杂的三维结构方面存在局限性，难以满足研究需求。其次，机械超材料需要精确模拟 ECM 的力学性能，如刚度和泊松比，才能准确地模拟细胞的微环境。这对于材料的选择和结构设计提出了很高的要求。此外，细胞与机械超材料之间的相互作用是一个复杂的过程，受多种因素影响，包括材料的表面特性、力学性能和拓扑结构等，需要进行系统深入的研究。

为了克服这些挑战，教授团队采用双光子聚合技术来制造具有周期性微结构的机械超材料。他们在配备了油浸物镜 (63×, NA = 1.4) 的Nanoscribe Photonic Professional GT直接激光写入设备上，以IP-Dip光刻胶为材料，实现了高精度和高分辨率的 3D 打印，从而可以精确控制微结构的几何形状和尺寸。研究人员巧妙地设计了两种不同的微结构：拉胀结构和 Auxetic 结构。拉胀结构在拉伸时会横向膨胀，而 Auxetic 结构在拉伸时会横向收缩。这两种结构具有不同的泊松比，可以模拟不同类型的 ECM，为研究细胞在不同力学环境下的行为反应提供了理想的平台。

为了探究这些机械超材料对细胞行为的影响，研究人员将人骨髓间充质干细胞 (hMSCs) 培养在这些超材料上，并仔细观察和分析了细胞的排列和迁移行为。实验结果表明，hMSCs 在拉胀结构上表现出明显的排列现象，细胞沿着拉胀结构的方向排列生长，而在 Auxetic 结构上则没有观察到明显的排列现象。这说明细胞能够感知并响应不同机械超材料的力学特性，并调整自身的形态和行为。更进一步的研究发现，拉胀结构可以促进 hMSCs 的迁移，这可能是由于拉胀结构产生的应力梯度引导了细胞的迁移方向。

这项研究成果不仅证明了利用机械超材料研究细胞行为的可行性，也为开发新的体外模型和组织工程支架提供了新的思路。通过精确控制微结构的几何形状和尺寸，可以调节机械超材料的力学性能，从而影响细胞的排列和迁移等行为。未来，研究人员可以设计和制造更复杂的机械超材料，例如模拟体内组织结构的多层级结构，以更真实地模拟 ECM 环境。此外，还可以将生物活性分子或药物结合到机械超材料中，以进一步调控细胞行为，例如促进细胞分化或抑制细胞凋亡等。

当然，这项研究也存在一些局限性。例如，目前的研究主要集中在细胞的排列和迁移行为，未来还需要进一步研究机械超材料对细胞增殖、分化等行为的影响。此外，还需要进行体内研究来验证机械超材料在组织再生和修复方面的应用潜力。

这项研究，为利用机械超材料研究细胞行为开辟了新的途径，并为开发新的生物医学应用提供了重要的启示。相信随着研究的深入，机械超材料将在生物医学领域发挥越来越重要的作用。

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