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題目│₪│◕：
異質細胞間耦合在心臟的機械和電訊號傳輸中起著重要作用▩•↟·•。儘管許多研究已經研究了心肌組織內肌細胞和非肌細胞之間的電訊號傳導╃╃，但研究機械對應物的研究並不多▩•↟·•。本研究旨在研究在健康和心臟病發作模擬基質僵硬條件下╃╃，底物硬度和心肌成纖維細胞（CMF）的存在對心肌細胞（CMs）和CMFs機械力傳播的影響▩•↟·•。使用與熒光顯微鏡整合的生物奈米壓痕儀測量CM產生的收縮力及其在CMF中的傳播╃╃，以實現快速鈣成像▩•↟·•。我們的結果表明╃╃，較軟的基質有助於更強和更進一步的訊號傳輸▩•↟·•。有趣的是╃╃，CMF的存在以剛度依賴的方式衰減了訊號傳播▩•↟·•。與具有CMF的軟基質相比╃╃，存在CMF的較硬基質使訊號衰減約24-32%╃╃，表明心肌梗死後基質剛度增加和CMF數量增加對心肌功能具有協同不利影響▩•↟·•。此外╃╃，CMF運動在CM-CMF邊界處的跳動模式也取決於基板剛度╃╃，從而影響CM產生的收縮力的傳播波形▩•↟·•。我們進行了計算機模擬╃╃，以進一步瞭解不同力傳遞模式的發生╃╃，並表明在CM-CMF介面處組裝的細胞-基質粘附（根據基板剛度而不同）在決定訊號傳輸的效率和機制方面起著重要作用▩•↟·•。總之╃╃，除了底物剛度外╃╃，受底物剛度影響的細胞-細胞和細胞-基質相互作用的程度和型別也會影響心肌組織中肌細胞和非肌細胞之間的機械訊號傳導▩•↟·•。
使用Piuma Chiaro奈米壓痕系統（Optics11╃╃，荷蘭阿姆斯特丹）（26）測試天然心臟組織塊╃╃，具有不同剛度的PDMS底物以及PDMS底物上培養的CMF細胞的硬度▩•↟·•。
使用直徑為90 μm的膠體探針測試具有不同剛度的PDMS基板▩•↟·•。用於軟基板的壓痕探頭的彈簧常數為0.43 N/m╃╃，而用於中等和剛性基板的探頭的彈簧常數為4.21 N/m▩•↟·•。針對每個PDMS底物條件測試了三個單獨的樣品╃╃，並從每個樣品的不同位置記錄了多個測量值▩•↟·•。所有樣品共記錄了204-390個壓痕資料點▩•↟·•。
用於在PDMS襯底上接種的CMF的壓痕探頭的彈簧常數和直徑分別約為0.045 N / m和41 μm▩•↟·•。針對每種底物型別╃╃，在兩個獨立樣品上總共測試了45種不同的CMF細胞▩•↟·•。在測試之前╃╃，懸臂的靈敏度校準是透過壓痕硬表面（即載玻片）進行的▩•↟·•。使用的載入速度分別為 50╃✘₪、2 和 0.2 μm/s▩•↟·•。開發了一個定製的MATLAB程式碼（The MathWorks╃╃，Natick╃╃，MA）╃╃，以確定探針和樣品之間的接觸點╃╃，並使用赫茲接觸模型（27╃╃，33）識別樣品的楊氏模量│₪│◕：(1)其中F是施加的力╃╃，δ是壓痕深度╃╃，R是膠體探針的半徑╃╃，E是樣品的楊氏模量▩•↟·•。假設樣品是不可壓縮的（即泊松比為0.5）╃╃，因為使用該模型的文獻研究得出的結論是╃╃，當泊松比從20.0到3.0（5）變化時╃╃，測量的性質變化小於34%╃╃，因此╃╃，假設大多數生物樣品的不可壓縮性是合理的（35╃╃，36).使用單因素方差分析進行統計╃╃，以95%置信水平報告統計學意義（p < 0.05）▩•↟·•。
透過駐留實驗（23）用奈米壓痕儀測量細胞片內單個CM和CMF的收縮力▩•↟·•。簡而言之╃╃，將奈米壓痕探針與樣品接觸╃╃，並且探針的位移保持恆定（換句話說╃╃，探針駐留在樣品上）30秒以動態測量其偏轉╃╃，這與電池沿橫向相對於基板的收縮力成正比▩•↟·•。
首先╃╃，我們測量了共培養樣品上與CM-CMF邊界相鄰的單個CM的收縮力╃╃，以及沒有任何CMF的對照樣品上CM-PDMS邊界處的CM▩•↟·•。然後╃╃，依次測量單個CMF的收縮力╃╃，每次在距邊界更遠的距離處測量╃╃，如圖1 A所示╃╃，直到沒有可檢測到的訊號▩•↟·•。所有跳動力測量均在細胞核上進行╃╃，以確保一致性╃╃，並儘量減少細胞剛度異質性的影響▩•↟·•。每次測量後╃╃，懸臂沿X軸移動╃╃，並在最近的CMF上進行測量▩•↟·•。因此╃╃，所有測量都是在距邊界相似的距離處進行的╃╃，根據最近CMF的確切位置╃╃，差異僅為～5-10%▩•↟·•。所用探頭的彈簧常數和直徑分別為0.067 N/m和5.4 μm▩•↟·•。開發了定製的 MATLAB 程式碼來分離每個單拍並計算平均收縮力▩•↟·•。
為了開發本研究中的FEA模型╃╃，透過影象分析和奈米壓痕測量測量了CMF的尺寸（即細胞直徑和高度）▩•↟·•。首先╃╃，我們透過測量新附著的球形CMF的直徑和高度來計算單個CMF的體積╃╃，該CMF在細胞接種後不超過15分鐘接種在培養皿上╃╃，以確保細胞仍呈球形▩•↟·•。簡而言之╃╃，捕獲了這些球形細胞的明場影象╃╃，並透過使用ImageJ繪製兩條從細胞中心穿過的對角線來測量直徑╃╃，以獲得D0.然後╃╃，這些球形細胞的高度╃╃，H0╃╃，透過使用奈米壓痕儀壓進細胞及其旁邊的基板並記錄細胞-基底接觸點（33）來測量▩•↟·•。這些尺寸用於計算細胞的體積V0如下│₪│◕：
最後╃╃，我們測量了在不同剛度基材上播種並鋪展的CMF的高度▩•↟·•。由於擴散的CMF的不規則形狀╃╃，我們假設細胞體積被保留╃╃，而不管細胞的形狀調製╃╃，同時擴散（37╃╃，38）▩•↟·•。基於這一假設並使用第 V 卷0並測量了不同剛度基板上展開的CMF的CMF高度H╃╃，我們使用以下公式計算了不同PDMS基板上CMF的直徑D│₪│◕：
首先╃╃，我們透過奈米壓痕實驗研究了天然組織基質╃✘₪、具有不同剛度的製備PDMS底物以及在這些基質上接種的CMFs的粘彈性▩•↟·•。我們觀察到不同PDMS基板的測量剛度的變化取決於壓痕的載入速度▩•↟·•。PDMS基板剛度是在三種不同的載入速度（即50╃✘₪、2和0.2 μm/s）下測量的╃╃，如圖1 B所示▩•↟·•。當載入速度從50 m/s降低到2 μ m/s和從2 μm/s（p < 0.2）降低時╃╃，基體的剛度顯著降低╃╃，但軟基體的剛度從0 m/s降低到0001 μm/s（p = 50.2）時除外▩•↟·•。同樣╃╃，在不同PDMS襯底上晶種的CMF表現出載入速度依賴性剛度（p <0.1484）╃╃，當載入速度從0 m/s降低到005.2 μm/s（p = 0.2）時╃╃，在中等襯底上接種的CMF除外（圖0 C）▩•↟·•。為了進行比較╃╃，測量了天然大鼠心臟組織的硬度╃╃，該硬度也隨著載入速度從1924降低到1.50 μm / s（p < 0.2）而降低▩•↟·•。
PDMS襯底和在PDMS襯底上晶種的CMF均表現出應變速率依賴性剛度▩•↟·•。軟底物剛度約為13.9-17.66 kPa╃╃，與天然健康心臟組織的硬度相似（即11.33-18.46 kPa （6））╃╃，因為我們測量的健康成年大鼠心臟為13.32±8.60 kPa╃╃，而中度和僵硬底物的硬度分別為83.29-105.71和483.92-529.63 kPa╃╃，與早期研究中測量的梗死心臟組織的硬度相當（4╃╃， 5）. 同樣╃╃，在軟╃✘₪、中和硬基底上接種的 CMF 的剛度分別為 0.95–3.02╃✘₪、2.06–4.96 和 1.61–5.47 kPa▩•↟·•。可以看出╃╃，正如預期的那樣╃╃，電池剛度隨著基板剛度的增加而增加（44）▩•↟·•。這種載入速度依賴性剛度與先前在組織和細胞（上的發現一致33╃╃，45）▩•↟·•。
Piuma是功能強大的臺式儀器╃╃，可探索水凝膠╃✘₪、生理組織和生物工程材料的微觀機械特性▩•↟·•。表徵尺度從宏觀直至細胞▩•↟·•。專為分析測試軟材料而設計╃╃，測量複雜和不規則材料在生理條件下的力學效能▩•↟·•。杭州軒轅科技有限公司
● 內建攝像鏡頭╃╃，方便實時觀察樣品臺
● 實時分析計算測量結果╃╃，原始資料並將以文字檔案儲存╃╃，方便任何時候匯入Dataviewer軟體進行復雜處理
● 探針經過預先校準╃╃，即插即用▩•↟·•。對於時間敏感的樣品確保了快速測量
● 光纖干涉MEMS技術能夠以無損的方式測量即使是最軟的材料╃╃，並保證解析度▩•↟·•。同時探針可以重複使用Piuma軒轅奈米壓痕儀Piuma軒轅奈米壓痕儀
| 模量測試範圍 | 5 Pa - 1 GPa |
| 探頭懸臂剛度 | 0.025 - 200 N/m |
| 探頭尺寸(半徑) | 3 - 250 μm |
| 最大壓痕深度 | 100 μm |
| 感測器最大容量 | 200 |
| 測試環境 | air, liquid (buffer/medium) |
| 粗調行程 | X*Y│₪│◕：12×12 mm Z│₪│◕：12 mm |
載入模式 | Displacement / Load* / Indentation* |
| 測試型別 | 準靜態(單點╃╃，矩陣) 蠕變╃╃，應力鬆弛 DMA動態掃描 (E', E'', tanδ) |
| 動態掃描頻率* | 0.1 - 10 Hz |
| 內建擬合模型 | Young's Modulus (Hertz / Oliver-Pharr / JKR) |
| *為可選升級配置 | |
新型光纖干涉式懸臂樑探頭╃╃，利用干涉儀來監測懸臂樑形變▩•↟·•。
創新型光纖探頭╃╃，彌補了傳統奈米壓痕儀無法測試軟物質的問題╃╃，也解決了AFM在力學測試中的波動大╃╃，操作困難╃✘₪、制樣嚴苛等常見缺陷▩•↟·•。
● 背景噪音低│₪│◕：鐳射干涉儀抗干擾強於AFM反射光路
● 制樣更簡單│₪│◕：對樣品的粗糙度寬容度高於AFM
● 剛度選擇更準確│₪│◕：平行懸臂樑結構有利於準確判別壓痕深度與壓電陶瓷位移比例關係╃╃，便於選擇合適剛度探頭來保證彈性形變關係的穩定性╃╃，進而獲得重複率更高╃✘₪、準確性更好的資料
● 藉助功能強大而易於操作的軟體╃╃，使用者可以自由控制壓痕程式（載荷╃✘₪、位移等）▩•↟·•。自動處理曲線的流程╃╃，可以獲得資料和結果的快速分析
● 原始引數完整txt匯出╃╃，便於後續複雜處理的需要
● 利用Hertz接觸模型從載入部分計算彈性模量╃╃，與常用的Oliver&Pharr方法相比╃╃，更為適合生物組織和軟物質材料特性
| 年 份 | 期 刊 | 題 目 |
|---|---|---|
| 2022 | Advanced Functional Materials | Engineering Vascular Self-Assembly by Controlled 3D-Printed Cell Placement |
| 2022 | Biomaterials | Hydrogels derived from decellularized liver tissue support the growth and differentiation of cholangiocyte organoids |
| 2021 | Biofabrication | 3D bioprinting of tissue units with mesenchymal stem cells, retaining their proliferative and differentiating potential, in polyphosphate-containing bio-ink |
| 2021 | nature communications | Janus 3D printed dynamic scaffolds for nanovibration-driven bone regeneration |
| 2020 | Environmental Science & Technology | Effect of Nonphosphorus Corrosion Inhibitors on Biofilm Pore Structure and Mechanical Properties |
| 2020 | Acta Biomaterialia | A multilayer micromechanical elastic modulus measuring method in ex vivo human aneurysmal abdominal aortas |
