整合拓扑结构与等双轴力学刺激的多模式微流控平台：新一代体外细胞微环境模拟技术及其在心肌细胞研究中的应用

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：A multimodal microfluidic-based platform integrating topographical and equibiaxial mechanical cues for next-generation in vitro cell microenvironment mimicking

本综述系统介绍了一种创新型微流控平台，该平台通过集成微流控技术与生物力学系统，实现了对细胞微环境中拓扑结构（ECM）、等双轴力学刺激与生化信号（如营养流）的协同控制。该研究以心肌细胞（CMs）为模型，证明了平台在模拟心脏微环境（包括周期性拉伸与高结构组织性）方面的卓越性能，为心脏组织工程与器官芯片（Lab-on-Chip）研究提供了关键技术支撑。

　　

1 引言

细胞微环境是细胞状态和功能的关键调节者，包含生化信号与形态物理信号。然而，微环境调控与细胞功能之间的相互作用机制仍不明确。为解析微环境对细胞命运的调控作用，亟需开发能精确呈现并整合这些信号的平台。本研究提出了一种新一代细胞培养系统，协同结合微流控与生物力学平台，旨在系统性地传递微环境刺激以调节细胞状态。研究选择心肌细胞（CMs）作为典型案例，因其对生化和形态物理信号的反应已有充分文献支持。

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2 结果

2.1 微流控平台的设计与制备

该设备采用双层腔室设计，可同时测试受刺激与对照的细胞培养。平台结构包含下部用于机械刺激（蓝色通道）和上部用于营养流动与废物清除（红色通道）。平台采用多层设计：第一层为气流通道，传递真空；第二层包含四个对称排列的小通道以增强负压；第三层为带有中央刚性支柱的圆形腔室；可变形聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜附着于变形腔室顶部，膜上制作有径向微图案以引导细胞沿拉伸方向排列。

2.2 机械刺激的模拟与实验验证

通过COMSOL模拟验证了平台功能。模拟显示，气流速度在微小通道中较高，负压差导致PDMS膜在空腔中产生垂直位移。应力与应变最大区域位于边界处及支柱侧面。实验通过嵌入荧光纳米珠的PDMS膜验证了膜的变形，显示变形梯度从中心向边界递增，且变形为纯拉伸而无旋转或剪切分量。选择-300 mbar的吸入压力作为最大变形条件，对应10%的应变范围，与心脏生理范围一致。

2.3 机械刺激与流体流动相互作用的验证

模拟与实验结合证明了平台在机械刺激与流体流动同时作用下的性能。结果显示，流体速度受膜变形影响，但剪切应力保持在低值范围（mPa级），不影响细胞培养。相反，机械变形不受流体流速变化的影响，表明两种刺激可独立应用。

2.4 拓扑线索：微图案表征

通过光刻技术制作了径向图案，图案由交替的脊与槽组成，宽度分别为5 μm与2 μm。原子力显微镜（AFM）扫描显示图案高度为1 μm。PDMS复制品通过SEM成像确认了图案的准确复制，高度略降至0.9 μm。图案整合到平台中后，与下层支柱精确对齐，确保变形场沿图案方向。

2.5 HL-1心肌细胞在平台中的接种与存活

HL-1细胞接种于经纤维连接蛋白功能化的PDMS上。浓度测试表明，50 μg/mL纤维连接蛋白最优支持细胞增殖。活死实验显示，细胞在平坦与图案化PDMS上均保持高存活率。机械变形初期（1小时内）细胞死亡略有增加，但3小时后存活率回升。

2.6 HL-1细胞对微图案化基底的排列

与平坦PDMS相比，图案化PDMS上的细胞表现出高度有序的排列，沿图案方向对齐。通过极坐标系统分析，细胞核与肌动蛋白纤维的取向与图案方向高度一致，表明图案有效引导了细胞排列。变形梯度未影响细胞对齐，说明图案的主导作用。

2.7 HL-1细胞对等双轴机械变形与微图案的响应

细胞迁移实验显示，在未变形基底上，细胞轨迹呈单向取向；而在变形基底上，轨迹分布均匀。变形诱导的转向角分布峰值 around 0°，表明细胞迁移持续性增强。图案化变形基底进一步提高了迁移速度与方向均匀性。形态学量化显示，机械刺激减少了细胞铺展面积与极性，促进细胞动态重组。

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3 讨论

本研究开发的微流控平台成功整合了机械刺激、拓扑线索与生化流动，为体外模拟细胞微环境提供了高度可控的系统。PDMS与PMMA的材料选择确保了平台的机械性能与光学可访问性。等双轴拉伸与径向图案的结合实现了均匀的细胞刺激与响应，克服了单轴拉伸的局限性。实验证明，平台在支持细胞存活、引导细胞排列与增强迁移方面表现优异，为心脏组织工程与药物测试提供了可靠工具。

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4 结论

该微流控平台能够同时施加多种微环境信号，包括流体流动、机械刺激与拓扑线索，展现出高度集成与调控能力。在心肌细胞应用中，等双轴机械拉伸与径向图案的协同作用显著改善了细胞排列与迁移行为。平台的可循环变形能力为模拟生理条件奠定了基础，有望在病理模型构建与治疗策略测试中发挥重要作用。

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5 材料与方法

平台通过微铣技术加工PMMA层并键合组装。PDMS膜以20:1比例制备，确保柔韧性。图案通过光刻制作并复制到PDMS上。机械刺激由外部压力控制器实现。细胞培养使用HL-1心房心肌细胞，在功能化PDMS上接种。成像采用共聚焦显微镜与SEM，数据分析使用ImageJ与MATLAB。统计采用ANOVA与Kruskal-Wallis检验。