一个开源的机械拉伸平台，用于在熔融电写支架上对腱细胞进行可控刺激

《Applied Materials Today》：An open-source mechanical stretching platform for controlled stimulation of tenocytes on melt electrowritten scaffolds

本研究开发了一种低成本、模块化的机械刺激平台（MESP），结合熔融电纺（MEW）技术制备具有仿生微结构的纤维 scaffold，通过周期性拉伸模拟生理机械环境，显著促进腱细胞增殖、代谢活性及胶原蛋白I表达，验证了机械刺激与 scaffold 结构协同促进组织再生的可行性。

　　
该研究聚焦于通过创新的多学科技术手段，解决传统腱伤修复过程中存在的机械刺激不足和生物材料适配性差两大核心问题。在材料科学层面，研究团队采用熔融静电写入（MEW）技术制备出具有仿生结构的纤维支架，其微纳级纤维排列（直径1-20微米）和波浪形拓扑结构（波长500微米，振幅150微米）成功复现了天然肌腱的应力-应变非线性特性，尤其是关键的"趾区"结构（应变范围0-7.8%）。在机械刺激系统开发方面，团队设计了一款开放式的低成本机械刺激平台（MESP），通过3D打印和激光切割技术构建出模块化、可定制的实验装置，显著提升了传统设备的可及性和适配性。

### 一、技术挑战与创新突破
肌腱修复的难点在于其独特的生物力学特性与再生需求之间的矛盾。天然肌腱在受力时呈现明显的非线性响应，其应力-应变曲线包含弹性变形区（0-5%应变）和屈服区（5-7.8%应变），这种结构特性既保证组织韧性又提供细胞机械信号。然而现有生物材料支架多采用均质结构，无法精确模拟这种动态力学响应，导致细胞定向排列和胶原沉积效率低下。

研究团队通过材料与机械工程的协同创新，构建了"仿生支架+精准刺激"的复合系统：
1. **MEW支架制备技术**：采用聚ε-己内酯（PCL）作为基材，通过电场操控实现纤维的定向沉积。在3D坐标系中，系统可精确控制纤维间距（200微米）、波浪幅度（150微米）和波长（500微米），形成类天然肌腱的多尺度结构。测试显示该支架在0-7.8%应变范围内具有稳定的弹性模量（1.75±0.27MPa），与文献报道的天然肌腱力学特性高度吻合。

2. **MESP机械刺激系统**：
- 结构设计：采用模块化6-well板适配系统，通过3D打印的齿轮传动机构（模数1:20，齿数36）实现位移控制。关键组件包括：
- 定位支架（3D打印，30%填充率）
- 激光切割适配板（孔径误差<±0.2mm）
- 可调夹具系统（M3螺纹连接，重复定位精度±0.6μm）
- 运行参数：支持0.17Hz频率（模拟生理加载节奏）和10%应变（接近肌腱屈服点），最大位移达15mm，适用于25mm×8mm的标准支架。
- 精度验证：在1-10RPM转速范围内，系统重复定位误差稳定在±1.2μm以内，满足亚微米级精度需求。

### 二、细胞生物学实验体系
研究构建了完整的生物评价链，包含：
1. **细胞培养模型**：采用原代人类肌腱成纤维细胞（ passages 6），通过双光标记（DAPI+Phalloidin）实现核膜与细胞骨架的同步可视化。
2. **动态加载方案**：采用"静-动"两阶段培养法：
- **静息期（28天）**：优化细胞附着环境，使用低葡萄糖DMEM培养基（含10% FBS）维持细胞活性。
- **动态刺激期（10天）**：实施10%应变、0.17Hz频率的周期性拉伸（36,000次循环），模拟生理运动中的力学刺激。
3. **生物活性评估**：
- **代谢活性**：Alamar蓝染色法显示动态组细胞代谢活性较静态组提升58.2%（p<0.0001）
- **存活率检测**：FDA/PI双染显示动态组细胞存活率（94.2±1.3%）显著高于静态组（85.7±2.1%）
- **胶原沉积**：免疫荧光检测到动态组I型胶原表达量（0.38±0.05 ng/cm2）是静态组的2.3倍（p<0.001）

### 三、关键实验发现
1. **支架结构-细胞行为关联**：
- 波浪纤维结构引导细胞骨架（actin）沿拉伸方向排列（动态组达70%有序性，静态组仅38%）
- 纤维间距（200微米）与细胞跨纤维迁移距离（217±43微米）形成动态耦合
- 趾区结构在5%应变时产生显著纤维重组（应变率7.8%时纤维重组度达62%）

2. **机械刺激的时空效应**：
- 最适刺激参数：10%应变（接近天然肌腱屈服点）+0.17Hz频率（生理级加载节奏）
- 时间依赖性：连续刺激10天后，细胞增殖速率提升2.1倍（p<0.01）
- 空间耦合效应：支架纤维方向与细胞迁移方向夹角误差<15度（p<0.001）

3. **材料性能优化**：
- MEW支架的拉伸模量（4.99±2.1MPa）接近文献报道的兔跟腱值（5.2±0.8MPa）
- 通过等离子体处理（1分钟，300W）可使纤维表面粗糙度降低至5.3±0.8μm，显著提升细胞黏附力（p<0.0001）
- 3D打印组件的批量复制误差控制在0.3%以内（经ISO 9001认证的激光切割机加工）

### 四、设备性能对比分析
研究团队系统评估了现有机械刺激设备的局限性，并与MESP进行多维对比：
| 设备类型 | 最大频率(Hz) | 单次应变(%) | 适配材料 | 单价(欧元) | 微观定位精度(μm) |
|------------------|--------------|-------------|-------------------|------------|------------------|
| CellScale MCT6 | 2 | 20 | 水凝胶/织物 | >30,000 | ±5.2 |
| Bose BioDynamic | 15 | 6 | 纤维膜 | >50,000 | ±12.5 |
| Ebers TC-3 | 0.5 | 15 | 弹性体 | >80,000 | ±18.7 |
| **MESP** | 1.7 | 10 | MEW/PCL复合支架 | 60 | ±0.8 |

该对比凸显MESP在精度（1.7Hz vs 15Hz）、成本（60欧元 vs >30,000欧元）和材料适配性（可兼容3D打印/静电纺纤维）方面的突破性进展。

### 五、技术转化路径
研究团队已建立完整的成果转化体系：
1. **开源硬件平台**：提供完整Bill of Materials（BOM）清单，包含3D打印参数（层高0.12mm，填充率30%）和Arduino控制代码库
2. **标准化实验流程**：制定SOP文件，包含：
- 支架预处理标准流程（等离子体处理/灭菌）
- 细胞接种密度控制（80,000细胞/cm2）
- 动态加载参数校准（每日校准程序）
3. **跨领域应用验证**：
- 骨-软骨复合支架加载实验（应变10%，频率0.5Hz）
- 皮肤工程支架测试（弹性模量匹配度达82%）
- 肌肉细胞共培养系统（多细胞类型兼容性验证中）

### 六、产业化前景评估
基于技术成熟度曲线（TRL）分析，当前系统处于TRL6阶段（中试生产），预计：
- **成本优势**：相比商业设备（单价>50,000欧元），MESP实现98%功能等效性，单价降低至0.003%水平
- **维护成本**：核心组件（齿轮/夹具）寿命>2000小时，故障率<0.5%/年
- **扩展性**：已开发多通道版本（6通道标准型，12通道扩展型），适配不同规模实验需求

### 七、学术贡献与临床价值
1. **理论创新**：
- 揭示纤维波浪度（振幅/波长比）与细胞骨架取向的量化关系（R2=0.87）
- 建立机械刺激参数-细胞表型转化的数学模型（p<0.001）
2. **临床转化**：
- 模拟临床前实验：动态加载组腱细胞分化指数（1.32±0.15）显著高于静态组（0.89±0.12）
- 药物递送系统整合：在支架表面实现生长因子缓释（释放率85%±3%）

该研究为生物材料工程开辟了新范式，通过"仿生结构+精准力学"的协同作用，实现了细胞行为的多维度调控。其开源硬件平台已通过Zenodo（DOI:10.5281/zenodo.17606431）向全球科研机构开放，目前累计下载量达427次，覆盖32个国家/地区。这种"低成本-高精度-强适配"的技术路线，为发展基层医疗可及的再生医学技术提供了重要参考。