磁场引导的HeLa细胞球体加速融合：数学相场模型预测超顺磁纳米粒子在生物制造中的应用

本研究针对组织工程中细胞球体融合效率低下的问题，开发了一种整合磁场的相场数学模型。研究人员通过COMSOL Multiphysics模拟结合SPIONs（超顺磁氧化铁纳米粒子）标记实验，证实磁场可将HeLa细胞球体融合时间从7天缩短至2天（R2 0.97），为再生医学和药物筛选提供了高通量生物制造新策略。

　　

在组织工程领域，构建功能性三维组织模型面临两大挑战：一是传统细胞球体融合耗时长达7天，二是现有数学模型无法模拟磁场对细胞行为的调控。这种低效性严重制约了药物筛选和再生医学的发展。为解决这一难题，洛斯安第斯大学生物医学工程团队在《Scientific Reports》发表研究，首次将相场理论(Phase Field Model)与磁流体力学结合，建立了能预测磁场加速细胞球体融合的数学模型。

研究采用四大关键技术：1）COMSOL Multiphysics多物理场耦合仿真，模拟磁场作用下SPIONs的磁泳力(Magnetophoretic force)；2）微流控制备不同细胞密度(6,250-50,000细胞/球体)的HeLa细胞球体；3）共聚焦显微镜动态监测融合过程，量化融合颈(Fusion neck)和融合角(Fusion angle)参数；4）FTIR/TEM/热重分析表征功能化纳米粒子(BUF-II-PEG-Si-MNP)。

HeLa细胞球体的尺寸和形态表征
通过超低附着微孔板培养的球体显示，细胞数量从6,250增至50,000时，直径从156.05±1.00μm增大至352.76±9.90μm。圆形度(0.877-0.885)和纵横比(1.012-1.043)证实球体形态均一性，为后续融合实验奠定基础。

无磁场辅助的融合动力学
相场模型准确预测了168小时内球体融合形态演变，融合颈和融合角的R²
分别达0.92469和0.93961。Bland-Altman分析显示融合颈预测偏差仅-0.0325，证实模型可靠性。但未完全融合的结果表明自然融合存在动力学限制。

磁铁矿纳米粒子的理化特性
FTIR证实纳米粒子成功功能化：600 cm^-1
处Fe-O振动峰、1100 cm^-1
处硅烷特征峰。TEM显示BUF-II-PEG-MNP平均直径9.29±2.69 nm，热重分析检测到400-800°C区间8.53%重量损失，对应表面分子分解。

磁场加速的双球体融合
施加0.1-0.5 T磁场后，SPIONs标记球体的融合时间从7天缩短至48小时。磁通量密度模拟显示0.12 T场强集中于球体接触区，MAE降至0.01219（融合颈），R²
提升至0.9960，证实磁场显著增强预测精度。

多球体系统的磁场效应
三球体系统在36小时内完成融合，四球体系统则出现解体现象。误差分析表明系统复杂度增加会使融合角预测误差升至3.1429，但R²
仍保持0.9770以上，揭示磁力与细胞重组间的复杂平衡。

细胞迁移的磁响应差异
完全磁化球体迁移率达112.8%（含增殖效应），而外部磁化球体仅25.6%，证实磁铁矿渗透深度限制（仅9.56%球体半径）。重力场模拟验证非磁化细胞无显著迁移，凸显预处理对均匀磁化的重要性。

该研究通过建立首个整合磁场的相场模型，突破性地将理论预测与实验验证相结合。模型不仅能准确量化SPIONs浓度、场强与融合速度的关系（误差<10%），还发现多球体系统中的自组织临界现象。在应用层面，该技术可将组织构建周期缩短71%，为肝小叶、肿瘤微环境等复杂结构的快速组装提供新范式。值得注意的是，研究者特别强调需优化磁场参数（<0.5 T）以避免氧化应激，这为纳米粒子安全应用划定边界。这项横跨生物力学、纳米技术和计算科学的成果，标志着生物制造从经验探索迈向精准调控的新阶段。