细胞可以通过力转导过程对所处微环境中的力学刺激信号作出响应，动态拉伸已被证实对细胞行为具有显著影响，这是一个生物材料学、细胞生物学、生物化学、生物力学等相关领域的交叉学科课题。近日，复旦大学丁建东课题组的研究揭示了单轴周期性拉伸的弹性高分子表面的细胞取向存在临界响应频率和临界拉伸速率，并结合高分子链松弛理论为该临界现象提供了合理阐释。

 利用光刻技术、软蚀刻技术和有限元分析方法，丁建东课题组设计和制备了适用于细胞力学拉伸研究的双层聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控装置。该装置的工作原理为：当芯片侧腔抽真空时，其体积减小，导致中间流体通道的薄膜发生拉伸，进而对黏附于薄膜上的细胞施加周期性拉伸作用。通过将PDMS微流控芯片与活细胞工作站、外源智能化真空泵联用，同时实现了细胞实时观察、细胞培养和细胞拉伸三大功能。

图1  利用双层PDMS微流控装置探究拉伸频率对弹性高分子薄膜表面细胞行为的影响

 丁建东课题组以此PDMS微流控芯片为研究平台，验证了细胞在合适条件下有垂直于拉伸方向取向的特性。

图2  周期性拉伸下的细胞取向

 作者还借助源于建筑学中的张拉整体结构模型（tensegrity model）对材料表面的细胞处于周期性单轴拉伸时取向和能量之间的关系及其时间依赖性进行了推演。理论计算不仅得出了垂直取向的结论，而且对细胞取向有序度随时间的演化也给出了与实验一致的动力学趋势。这是为数不多的可对粗粒化的细胞模型进行处理、且给出解析解的理论工作。

 随后系统探究了人骨髓间充质干细胞（hMSC）在不同拉伸频率和幅度的循环拉伸作用下的细胞取向。在证实细胞取向存在临界拉伸幅度的同时，发现细胞取向具有临界响应频率（f_c），且f_c的值具有幅度依赖性，对于低幅度拉伸而言，需要更高的拉伸频率方能诱使细胞取向现象发生。

图3  不同幅度的周期性拉伸作用下细胞序参量随时间的演化及细胞取向的临界响应频率

 丁建东课题组发现尽管临界响应频率与幅度相关，而拉伸幅度及对应的f_c的乘积，对于2%、5%和10%三个幅度组而言，均处于同一水平。于是，在临界响应频率的基础上，进一步提出了临界拉伸速率的概念（R_c = πAf_c），成功地实现了频率和幅度对细胞取向影响的统一。通过对大量文献原始数据进行归纳分析，证实了R_c对于绝大多数细胞类型具有普适性。

 理论模型中涵盖了细胞骨架、尤其是应力纤维。丁建东团队进一步对文献中有关应力纤维动态自组装的实验数据进行了分析，发现应力纤维的周转时间范围恰好与上述临界拉伸速率的倒数相吻合，因此认为应力纤维的超分子链松弛过程可能是诱导细胞取向发生的关键。也就是说，应力纤维的周转时间决定了使细胞取向的临界拉伸速率，当拉伸幅度固定时进而决定了临界响应频率。

图4  临界拉伸速率和临界响应频率对单轴周期性拉伸诱导的细胞取向的潜在影响

 以上相关成果发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。详见：Tianjiao Mao^#, Yingning He, Yexin Gu, Yuqian Yang, Yue Yu, Xinlei Wang, Jiandong Ding*, Critical frequency and critical stretching rate for reorientation of cells on a cyclically stretched polymer in a microfluidic chip, ACS Appl. Mater. Interfaces, 13, 12: 13934-13948 (2021)。论文的第一作者是复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室硕士生毛天骄，通讯作者为该国重主任丁建东教授。

 论文链接： https://doi.org/10.1021/acsami.0c21186