Adv. Funct. Mater.：通过多肽喷墨打印为生物矿化结构编码细胞微图案

【引言】

微图案在各种组织和器官中广泛存在，它们能够增强组织和器官的机械性能和一些生物功能。目前，多种生物矿化方法已经被用来仿造天然微图案化组织的组成、结构甚至功能，主要的方法有光刻、微接触打印和激光图案化等。但是这些方法需要十分苛刻的制备条件，而且得到的微图案与硬基底的结合较差。可见，要设计和制备微图案实现特定的生物医学应用仍面临巨大挑战。

【成果简介】

最近，美国塔夫茨大学David L. Kaplan教授和Fiorenzo G. Omenetto教授（共同通讯作者）在Advanced Functional Materials上发表题为“Coding Cell Micropatterns Through Peptide Inkjet Printing for Arbitrary Biomineralized Architectures”的文章。研究团队受到自然界合成微图案路径的启发，首先利用喷墨打印使得多肽能够在生物高分子凝胶上直接有序排列，然后通过多肽的原位生物矿化过程实现微图案上硅纳米粒子在特定位点的生产，进而实现了微图案上人类间充质干细胞和牛血清白蛋白排列的控制。

【图文导读】

图1 细胞编码微图案的设计及制备流程示意图

(a) 结合喷墨打印和原位生物矿化，在蛋白质基底上构筑二氧化硅微图案的设计示意图；

(b) 蚕丝蛋白水凝胶的形成机理；

(c) 生物硅选择性多肽催化的生物硅粒子的生物矿化过程。

图2 水凝胶基底上二氧化硅微图案的阵列图

(a) 透明蚕丝蛋白水凝胶上打印的多肽标识图；

(b) 透明蚕丝蛋白水凝胶上FITC标记的多肽图案的荧光图；

(c) 透明蚕丝蛋白水凝胶上生物矿化的多肽标识图；

(d) 整个自支持蛋白质体系可以轻易地从用于凝胶化的容器中取出；

(e) 透明蚕丝蛋白水凝胶上线性排列的矿化微图案的示意图（左图）和SEM图片（右图）；

(f) 矿化微图案上二氧化硅粒子的AFM形貌图；

(g) (f)图中对应的纳米粒子尺寸分布图；

(h, i)  显示两条线之间的间隙空间分辨率的SEM图。

图3 水凝胶上显示生物硅微图案结构细节红外mapping图

(a) 矩形微图案的显微图像；

(b) 显示二氧化硅纳米粒子吸收强弱的等高线图；

(c) (a)图中FTIR图像中白色虚线范围内提取的单像素光谱；

(d) 红线/绿线光谱图显示结构主要为无规线团或者螺旋结构；

(e) 蓝线光谱图显示结构为β片层和β转角。

图4 生物硅微图案水凝胶和对比水凝胶上人类间充质干细胞的阵列

(a-c) 人类间充质干细胞在蚕丝蛋白水凝胶的生物硅微图案上排列；

(d-f) 人类间充质干细胞在非图案化的蚕丝蛋白水凝胶上展现出常规形貌；

(g) F-肌动蛋白染色的人类间充质干细胞荧光照片；

(h) (g)图中部分区域放大图；

(i) 人类间充质干细胞在生物硅微图案上的缩放视图（左）和SEM图像（右）；

(j) 软件计算得到的细胞排列的图形展示；

(k) 微图案和对比水凝胶上细胞分布的相干系数。

图5 生物硅微图案上牛血清白蛋白的阵列

(a, b) 含有FITC标记的牛血清白蛋白和R5多肽且硅化后的微图案荧光图像；

(c, d) 仅有FITC标记的牛血清白蛋白且硅化后的微图案荧光图像。

【小结】

该文章结合多肽喷墨打印和原位生物矿化过程，实现了人类间充质干细胞和牛血清白蛋白的阵列化制备，而且避免了苛刻的制备条件和复杂的处理过程。该种方法还适用于多种物质的图案化制备，如多肽、生长因子和生物大分子等。总体来说，这种功能性微图案的设计策略可以在界面组织工程、细胞移植，甚至细胞传感器等领域发挥作用，必将促进对细胞基础功能的进一步理解。

文献链接：Coding Cell Micropatterns Through Peptide Inkjet Printing for Arbitrary Biomineralized Architectures (Adv. Funct. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adfm.201800228)

本文由材料人高分子和生物学术组Gaxy供稿，材料牛审核整理。

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