隨著組織工程領(lǐng)域的發(fā)展，生物材料界面與細胞的相互作用及物理機制成為了研究熱點之一。生物界面的拓撲形貌可以有效調(diào)控細胞行為并影響細胞功能。然而體內(nèi)的一些生理過程，如胚胎發(fā)育、免疫應(yīng)答和組織更新與重塑等往往涉及多細胞的集體行為。腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移也與集體細胞的協(xié)調(diào)運動有關(guān)。細胞球作為一種體外三維細胞培養(yǎng)模型，具有強烈的細胞－細胞相互作用，可以在細胞生理學(xué)、信號通路、基因和蛋白表達以及氣體／營養(yǎng)物質(zhì)梯度等方面更好地模擬體內(nèi)環(huán)境。因此，明確材料表面拓撲結(jié)構(gòu)與細胞球的相互作用對理解體內(nèi)生理、病理機制具有重要意義。但是，目前同時具有厘米級尺度和微納米精度的跨尺度微納拓撲結(jié)構(gòu)尚難以快速制備。

中科院理化所仿生智能界面科學(xué)中心有機納米光子學(xué)實驗室鄭美玲研究員團隊近日在跨尺度微納拓撲結(jié)構(gòu)制備及細胞球浸潤性調(diào)控方面取得了新進展。該團隊提出采用飛秒激光無掩膜投影光刻技術(shù)（MOPL）制備大面積兼具高精度的微盤陣列拓撲結(jié)構(gòu)以研究細胞球的浸潤性。研究發(fā)現(xiàn)細胞球在多種不同單元直徑的微盤陣列拓撲結(jié)構(gòu)上展示出了不同的浸潤速度。通過分析細胞形態(tài)、骨架分布和細胞黏附，解析了細胞球浸潤速度的變化機制，并發(fā)現(xiàn)細胞球在大尺寸和小尺寸的微盤結(jié)構(gòu)單元上采取不同的浸潤模式。該研究揭示了細胞球?qū)绯叨任⒓{拓撲結(jié)構(gòu)的響應(yīng)機制，為理解組織浸潤行為提供了參考。研究成果發(fā)表于Small 2023， 2300311． （DOI： 10．1002／smll．202300311），博士研究生郭敏為論文第一作者，鄭美玲研究員為通訊作者。

MOPL是一種高效率且能靈活化地制備微納拓撲結(jié)構(gòu)的技術(shù)?？紤]到單個細胞的尺寸以及細胞球浸潤過程中與大面積拓撲結(jié)構(gòu)的相互作用，作者首先利用MOPL技術(shù)制備了高度低于1μm，拓撲單元直徑分別為2、5、20和50 μm的大面積（8 mm × 10 mm）微盤陣列結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1．飛秒激光無掩膜投影光刻示意圖及制備的微盤陣列拓撲結(jié)構(gòu)

采用超低吸附法制備了大小均一的人腎透明細胞癌細胞的細胞球。然后利用激光掃描共聚焦熒光顯微鏡對細胞球在微盤陣列拓撲結(jié)構(gòu)上的動態(tài)浸潤行為進行了觀察。細胞球在一系列微盤陣列拓撲結(jié)構(gòu)上發(fā)生了完全浸潤并展現(xiàn)出不同的浸潤面積。結(jié)合細胞球鋪展理論，通過量化不同時間點的細胞球浸潤面積，發(fā)現(xiàn)細胞球的浸潤速度在2、5、50和20 μm直徑的微盤結(jié)構(gòu)單元上依次減小，細胞球在直徑為20 μm的微盤結(jié)構(gòu)單元上具有較小的細胞－基底黏附能（圖2）。

圖2． 細胞球在多種拓撲結(jié)構(gòu)上的動態(tài)浸潤過程與分析

進一步地，利用免疫熒光染色分析了多種不同微盤結(jié)構(gòu)上的細胞形態(tài)、肌動蛋白和黏著斑分布，提出細胞球在直徑2μm和5 μm的小尺寸的微盤結(jié)構(gòu)上采取攀爬模式浸潤，在直徑20μm和50 μm的較大尺寸的微盤結(jié)構(gòu)上采取繞行模式浸潤（圖3）。細胞球的浸潤過程表現(xiàn)為一種多細胞的集體協(xié)調(diào)運動。

圖3．細胞球的攀爬浸潤和繞行浸潤模式解析

該研究揭示了細胞球在各向同性微盤陣列拓撲結(jié)構(gòu)表面的浸潤機制，促進了對細胞球與界面拓撲結(jié)構(gòu)相互作用的理解。本工作是飛秒激光面投影納米光刻技術(shù)及應(yīng)用（Nano Lett． 2021，21， 3915－3921；Opt． Express 2022， 30， 36791－36801；Nano Lett． 2022， 2， 9823－9830）的拓展和深入。相關(guān)研究工作得到科技部納米科技重點專項、國家自然科學(xué)面上基金項目和中國科學(xué)院國際伙伴計劃等項目的大力支持。該課題研究過程中得到了仿生中心王樹濤副所長的悉心指導(dǎo)。