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  近年來，細胞片工程在無支架細胞移植和組織工程領(lǐng)域展示出巨大的應(yīng)用前景。實現(xiàn)無支架細胞片的獲取與應(yīng)用的關(guān)鍵在于在維持細胞活性的同時，實現(xiàn)細胞與粘附基底材料的完全脫離。近年來，多種功能響應(yīng)型生物材料被用于調(diào)控細胞粘附行為，例如利用光熱材料原位熱解膠原蛋白，制備細胞層。以及開發(fā)酶、熱、pH，磁場等外場刺激調(diào)控生物界面處智能分子的構(gòu)型轉(zhuǎn)變或鍵的開合，實現(xiàn)細胞特異粘附和去粘附。但如何通過簡單的方法實現(xiàn)無支架細胞片的獲取，不損傷細胞活性，仍具有很大挑戰(zhàn)。

  近日，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李琳琳研究員與王中林院士團隊，報道了一種利用壓電復(fù)合薄膜材料調(diào)控細胞的粘附最終達到無損捕獲細胞片層的新方法。在低強度醫(yī)用超聲波的刺激下，具有高壓電性的聚偏氟乙烯-鈦酸鋇（PVDF-BTO）復(fù)合薄膜產(chǎn)生表面壓電電勢，調(diào)控粘附蛋白的構(gòu)象，從而降低細胞粘附力，成功實現(xiàn)了在極短時間（20秒）內(nèi)對間充質(zhì)干細胞和成纖維細胞片的完整脫附，同時細胞保持了較高的細胞連接及增殖等生物活性。

圖1：PVDF-BTO壓電薄膜在超聲波作用下，改變粘附蛋白構(gòu)象，實現(xiàn)無損、快速的無支架細胞片的獲取

圖2：壓電復(fù)合薄膜的壓電性能及其超聲響應(yīng)電輸出

  具有良好壓電性的四方相鈦酸鋇納米顆粒（BTO）的加入能夠作為壓電聚合物聚偏氟乙烯（PVDF）的成核劑，提高其壓電相含量，從而提高復(fù)合薄膜的壓電性和對機械外力的響應(yīng)。相較于壓電性較弱的其他兩種材料（PVDF和摻雜立方相BTO納米顆粒的復(fù)合薄膜），該復(fù)合薄膜對低強度超聲（1 MHz, 0.8 W cm^-2）具有靈敏的響應(yīng)和電荷輸出性能（圖2）。

圖3：纖連蛋白的表面吸附及壓電下的構(gòu)象變化及脫附行為

  纖連蛋白作為介導細胞粘附的重要功能蛋白，其構(gòu)象變化將影響細胞在基底上的粘附。研究發(fā)現(xiàn)，壓電效應(yīng)的產(chǎn)生能夠顯著提升薄膜的表面電勢，改變其表面纖連蛋白的構(gòu)象，蛋白二級結(jié)構(gòu)中α-螺旋減少，β-折疊增加（圖3），導致細胞與材料間的粘附作用降低，細胞從薄膜上整體脫落，最終實現(xiàn)細胞片層的有效捕獲（圖4）。

圖4：超聲前后薄膜表面及脫落細胞片的熒光染色活性評估

  脫落后的細胞片維持良好的細胞連接，細胞內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)完整。雙鏈DNA檢測脫落細胞片的增殖能力，發(fā)現(xiàn)通過壓電效應(yīng)獲取的細胞片活性和增殖能力良好，是其后續(xù)發(fā)揮功能的保障（圖4）。

  綜上，這項工作發(fā)展了一種利用壓電效應(yīng)獲取無支架細胞片的新方法。利用醫(yī)用超聲波誘發(fā)壓電薄膜的壓電勢調(diào)控蛋白構(gòu)象，實現(xiàn)細胞片的無損脫落。這一工作為無支架細胞移植提供了新的方法，并拓寬了壓電材料在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用。

  近日，該研究成果以“Noninvasive manipulation of cell adhesion for cell harvesting with piezoelectric composite film”為題發(fā)表在學術(shù)期刊《Applied Materials Today》上。文章的第一作者是中科院北京納米能源所的博士生萬钘怡，通訊作者為李琳琳研究員和王中林院士。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apmt.2021.101218

  課題組主頁：http://www.x-mol.com/.groups/lilinlin