负磁泳引导的单向细胞图案化：一种无标记快速构建组织工程微结构的新方法

本研究针对传统细胞图案化技术耗时、损伤细胞等问题，开发了基于负磁泳(Negative Magnetophoresis)的无标记单步细胞图案化系统。通过5 mM钆螯合物(Gd3+)和定制磁阵列，在3小时内实现～1 mm厚度的线性细胞图案，并成功应用于成骨/成脂分化。该技术为组织工程和药物筛选提供了新型无接触操控平台。

　　

在组织工程和再生医学领域，精确控制细胞空间排列是构建功能性组织的关键。然而现有细胞图案化技术面临诸多挑战：表面修饰方法需要复杂的化学处理且耗时；生物打印存在剪切应力损伤细胞风险；而基于磁珠标记的正磁泳(Positive Magnetophoresis)技术可能干扰细胞功能。这些限制促使研究人员探索更安全高效的细胞操控新方法。

针对这一需求，来自中国的研究团队在《Biomedical Engineering Advances》发表创新研究，开发出基于负磁泳(Negative Magnetophoresis)的无标记细胞图案化系统。该系统利用细胞固有的抗磁性，通过FDA批准的钆螯合物Gadobutrol(5 mM)增强培养基磁化率，结合N52钕磁铁阵列产生的梯度磁场，在3小时内实现稳定的线性细胞图案(厚度～1 mm)，并保持48小时结构完整性。

研究采用多学科交叉技术方法：通过有限元模拟磁力分布(F_mag=Vχ_m/μ₀(B_x?B_z/?x+B_y?B_z/?y+B_z?B_z/?z))优化系统设计；使用SLA 3D打印和PDMS微加工构建培养平台；应用Calcein-AM/PI染色和Ki-67免疫荧光验证生物相容性；通过Alizarin Red和Oil Red O染色评估成骨/成脂分化效果。

建模与系统设计
研究人员设计由7个N52钕磁铁(50×5×2 mm)组成的交替磁极阵列，结合PDMS-盖玻片培养室。模拟显示5 mM Gd³⁺可在150 μm高度产生足够磁力(F_mag,y)，使密度1.02-1.09 g/mL的细胞在磁铁中点形成图案，而避免10-15 mM导致的全局悬浮。

磁图案化验证
实验证实5 mM Gd³⁺能形成规则线性图案，而≥10 mM导致细胞悬浮。活/死染色显示5 mM组细胞活力与对照组无差异，Ki-67阳性细胞集中在图案区域，证实技术安全性。

不同细胞密度的图案特征
初始细胞数2.5×10⁴-1×10⁵/孔均能在3小时内形成～973 μm厚图案。48小时后，持续磁约束组(m+)图案厚度减少31-32%，而去磁组(m-)厚度增加37-50%，证实磁力对图案的稳定作用。粗糙度分析显示高密度组(1×10⁵/孔)初始图案更致密。

谱系定向细胞的磁图案化
成骨细胞(21天分化)和脂肪细胞(10天分化)均能形成稳定图案，厚度分别为1150 μm和1180 μm。值得注意的是，图案化成骨细胞(OP组)骨钙素表达比非图案组(OC)高2倍，图案化脂肪细胞(AP组)PPARγ和Resistin表达高2-3倍，显示图案化可能通过增加局部细胞密度促进分化。

讨论部分强调，该技术相比传统方法具有三大优势：一是无标记操作避免磁纳米颗粒(MNPs)的潜在毒性；二是5 mM Gd³⁺浓度仅为悬浮应用的5%，安全性更高；三是单步完成图案化，无需表面修饰或复杂设备。研究还发现，磁约束形成的细胞高密度区域能增强细胞间相互作用，这可能解释OP和AP组分化标志物表达升高的现象。

这项研究的意义在于：为组织工程提供了一种可精确控制细胞排列的新型工具；其与分化协议的成功整合，证明可用于构建复杂组织界面(如骨-软骨连接)；低成本磁阵列设计有利于技术推广。未来通过优化磁铁排布，可能实现更复杂的图案架构，而独立于培养表面特性的特点，为3D图案化研究奠定基础。

局限性包括：长时间培养(>7天)后快速增殖细胞可能突破磁约束；Gd³⁺长期摄入的细胞特异性影响需进一步评估。这些发现为无标记细胞操控技术在再生医学、药物筛选和器官芯片等领域的应用开辟了新途径。