使用机械生物学和机器人显微操作的组织工程

你有没有想过一个细胞球体，桑椹树，是如何产生具有迷人形状和结构的组织和器官的?秘密在于胚胎组织的力学。根据作用在它们上的力，它们表现出粘性(类似流体)和弹性(类似固体)的行为。在 EPFL，埃里克·梅兰德 (Erik Mailand) 是一名博士。学生和机械工程助理教授 Selman Sakar 决定利用细胞簇的机械响应流变学来设计具有持久复杂形态的组织。

从单细胞力学到多细胞组织

长期以来，生物工程师一直在研究动物组织，目标是能够设计用于再生医学和药物筛选的复制品。尽管有一些制造技术可以暂时概括天然组织的形式和结构，但规定的形态并不稳定。细胞不断施加力量将自身和周围的支架安排到一个能量有利的状态，它们的身体活动几乎总是扰乱秩序。“我们希望为细胞提供正确的机械线索，以便它们所需的状态与我们的组织蓝图一致，”EPFL 微生物机器人系统 (MICROBS) 实验室负责人 Sakar 说。“我们反复观察到，由于表面应力的出现，细胞倾向于将组织塌陷成一个球。”因此，Sakar 的研究小组研究了这两个个体的行为细胞和微加工组织，以便更好地理解自组织的物理原理。他们的研究结果最近发表在Advanced Materials 上的两篇独立文章中。

工程师们首先进行了机器人显微操作实验，以了解细胞如何对纤维基质内的力做出反应。为此，他们开发了一种可在组织内操作的远程控制的细胞大小的磁性微致动器。“这个平台使我们能够发现会改变细胞组织的负载条件。这些实验对于了解纤维化和癌症等疾病的发生也很重要，”萨卡尔说。工程师创建了实验系统的一对一数字复制品，以量化微致动器产生的机械应力。“我们使用数字孪生对不同的机械驱动方案和设计实验进行虚拟测试，以揭示新颖的见解，”第一篇文章的主要作者 Fazil Uslu 说。

上皮层的相变

从早期实验中了解到，工程师们将注意力集中在控制表面应力上。上皮是坚固的组织，支持胚胎和器官的结构，并作为抵御病原体的屏障。值得注意的是，通过积极重塑细胞 - 细胞连接和调节局部应力的分布，上皮细胞可以变得有弹性、可塑性和粘性。“我们使用微细加工、计算力学、光片显微镜和新型机器人显微操作平台来表明，覆盖有连续上皮片的胶原凝胶可以使用机械力自由成形，”第二篇文章的主要作者 Mailand 说。该过程涉及上皮片中可逆的固体到液体的转变，并且适用于增材制造和减材制造技术。

这一发现开辟了组织工程研究的新途径，希望有朝一日在实验室中开发的组织将具有适当的形式和功能，可以植入患者体内或用于测试疗法。这一发现也可能为组织血管化问题提供解决方案。随着工程化组织的尺寸变大，位于核心的细胞不再能够接触周围的介质，并且需要——就像我们的器官一样——灌注血管。“我们的研究结果表明，有可能在组织中直接雕刻隧道，最终由周围的细胞稳定，以人为地创建流体网络。” 萨卡尔说。表明内皮细胞显示出与上皮细胞相似的机械响应特性 是该项目的下一个目标。

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