综述:细胞纳米力学研究之”利器”—软体驱动器

Cell Nanomechanics Based on Dielectric Elastomer Actuator Device

Zhichao Li, Chao Gao, Sisi Fan, Jiang Zou, Guoying Gu, Mingdong Dong, Jie Song*

Nano-Micro Lett.(2019)11:98

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0331-8

本文亮点

1 对介电弹性体驱动器的主要组成、技术原理和表征方法进行了综述。

2 将介电弹性体驱动器与热门的机械式及气动式反应器进行比较,说明介电弹性体驱动器作为有效细胞力学/力学传导研究载体的可行性,并对此技术未来在细胞机械刺激领域的发展进行展望。

内容简介
上海交通大学宋杰教授团队综述了基于介电弹性体驱动器技术的生物反应器在细胞的力学传导/机械刺激上的应用,该技术原理简单、结构轻巧并且可以产生多种形式的机械刺激。通过与当前热门的商用机械式、气动式反应器进行细致对比,突出强调了该技术在未来可作为细胞机械刺激的优良载体的观点。该组硕士生李智超为论文的第一作者,宋杰教授为论文的通讯作者。

通过在介电弹性体的上下表面布置柔性电极并用刚性框架进行固定便可制成介电弹性体驱动器,电极和弹性体材料的选择可根据具体用途而灵活选择,对弹性体进行不同比例的预拉伸有助于在一定程度上提高驱动器的性能。介电弹性体通常满足光学透明性,部分弹性体材料还具备优良的细胞相容性,故基于介电弹性体驱动器技术开发细胞的动态机械刺激装置和方法有其可行性。

本文介绍了三类基于介电弹性体驱动器技术的细胞机械刺激反应装置:应用于单细胞的装置、应用于少量细胞的装置和细胞测力装置。通过与当前的气动式和机械式装置进行对比,阐明了介电弹性体驱动器未来可以为细胞的动态机械刺激研究提供新的思路这一观点。
研究背景

介电弹性体驱动器作为一种软体驱动器,已经广泛应用在软体机器人、人造肌肉和能量采集中,而其在细胞力学/力学传导上的应用价值也逐渐被发掘。介电弹性体驱动器的光学透明性、体积小和可灵活产生多样化应变等属性是其适用于细胞机械刺激研究的重要特性。总的来说,介电弹性体驱动器由介电弹性体、柔性电极和刚性框架三部分构成。其中弹性体材料和柔性电极材料的选择不仅决定了相应的制作难度,同时也会影响驱动器的性能。本文综述了介电弹性体驱动器的基本组成、工作原理及表征办法,并重点介绍了其作为生物反应器,在细胞力学传导、细胞动态机械刺激方面的研究进展。

图文导读

I 介电弹性体驱动器原理
利用介电弹性体驱动器技术进行细胞的机械刺激,如图1所示。通电激活驱动器,在电极扩张区域产生拉伸应变,并在周边区域产生挤压应变。
图1 介电弹性体驱动器原理及细胞刺激示意图。(a)&(c)静态的驱动器;(b)激活态的驱动器;(d)电极扩张而产生拉伸和挤压刺激。

II 用于刺激单细胞的装置
通过先进的制造工艺可制作出适用于单细胞机械刺激的微纳米级别驱动器/驱动器阵列,如图2所示。

图2 基于介电弹性体驱动器的单细胞拉伸装置。(a)(b)单细胞刺激阵列的设计图;(c)(d)单细胞刺激阵列的实物图。

III 用于刺激少量细胞的装置

介电弹性体驱动器用于细胞机械刺激可以有多种形式,如图3所示。可实现单轴的挤压、拉伸、交替的拉伸和挤压以及更复杂的机电耦合刺激。
图3 基于介电弹性体驱动器的细胞刺激装置。单轴挤压(2014),单轴拉伸(2016),交替的拉伸和挤压(2018),机电耦合刺激(2019)。

IV 用介电弹性体驱动器测取细胞之间的力

介电弹性体驱动器具备用来开发力传感器的潜力,如图4所示。利用黏附在弹性体薄膜上的细胞收缩所产生的电极之间的电容变化,可以进行细胞测力技术的开发。
图4 基于介电弹性体驱动器的细胞测力方法。(a)测力系统组成和原理示意;(b)对左边系统的优化设计。
V 三种刺激类型的对比

本文对传统的气动式和机械式刺激装置进行了比较,如图5所示。气动式和机械式都需要一个中间的能量转化装置,分别是气泵和电动机,而介电弹性体驱动器是直接由高压电信号进行控制,相比之下在应变设计上具备更高的灵活性。

图5 气动式、机械式和基于介电弹性体驱动器的刺激装置对比图。(a)气动式细胞拉伸装置;(b)机械式细胞拉伸装置;(c)介电弹性体驱动器式细胞拉伸装置。

VI 基于介电弹性体驱动器的细胞动态机械刺激反应系统

搭建基于介电弹性体驱动器的细胞动态刺激实验系统,如图6所示。驱动器置于简易的透明培养环境内,通过与倒置的显微镜以及外接的电压源组成系统,可实现细胞刺激过程的实时观察。

图6 利用介电弹性体驱动器搭建细胞动态刺激系统。(a)通过倒置的光学显微镜、外接的电压源和透明培养箱组成整个实验系统。(b)此类系统可实现刺激过程的动态观测。

作者简介

宋杰

(本文通讯作者)

上海交通大学电子与电气工程学院

教授、博士生导师

主要研究领域
功能纳米材料及其在生物医学工程上的应用;高分辨动态成像及生物小分子结构功能分析;DNA纳米技术及其相关应用;单细胞操纵,以及单细胞基因、单细胞酶学分析。

主要研究成果

近五年来在Science, Nature, Nature Chemistry, Nature Nanotechnology, Nature Communication 等国际知名杂志发表论文30多篇,其中第一作者与通讯作者论文14篇,他引1000多次,H因子18。

Email: sjie@sjtu.edu.cn

李智超

(本文第一作者)

在读硕士生

主要研究领域
介电弹性体驱动器的设计及其细胞应用。

主要研究成果

申请国家发明专利一项,在Nano-Micro Letters发表论文一篇。

Email: zhichaoli1121@sjtu.edu.cn
撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

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