中科院纳米能源所李琳琳&王中林团队《App. Mater. Today》：压电薄膜实现无损、快速的无支架细胞片获取

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近年来，细胞片工程在无支架细胞移植和组织工程领域展示出巨大的应用前景。实现无支架细胞片的获取与应用的关键在于在维持细胞活性的同时，实现细胞与粘附基底材料的完全脱离。近年来，多种功能响应型生物材料被用于调控细胞粘附行为，例如利用光热材料原位热解胶原蛋白，制备细胞层。以及开发酶、热、pH，磁场等外场刺激调控生物界面处智能分子的构型转变或键的开合，实现细胞特异粘附和去粘附。但如何通过简单的方法实现无支架细胞片的获取，不损伤细胞活性，仍具有很大挑战。

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所李琳琳研究员与王中林院士团队，报道了一种利用压电复合薄膜材料调控细胞的粘附最终达到无损捕获细胞片层的新方法。在低强度医用超声波的刺激下，具有高压电性的聚偏氟乙烯-钛酸钡（PVDF-BTO）复合薄膜产生表面压电电势，调控粘附蛋白的构象，从而降低细胞粘附力，成功实现了在极短时间（20秒）内对间充质干细胞和成纤维细胞片的完整脱附，同时细胞保持了较高的细胞连接及增殖等生物活性。

图1：PVDF-BTO压电薄膜在超声波作用下，改变粘附蛋白构象，实现无损、快速的无支架细胞片的获取

图2：压电复合薄膜的压电性能及其超声响应电输出

具有良好压电性的四方相钛酸钡纳米颗粒（BTO）的加入能够作为压电聚合物聚偏氟乙烯（PVDF）的成核剂，提高其压电相含量，从而提高复合薄膜的压电性和对机械外力的响应。相较于压电性较弱的其他两种材料（PVDF和掺杂立方相BTO纳米颗粒的复合薄膜），该复合薄膜对低强度超声（1 MHz, 0.8 W cm^-2）具有灵敏的响应和电荷输出性能（图2）。

图3：纤连蛋白的表面吸附及压电下的构象变化及脱附行为

纤连蛋白作为介导细胞粘附的重要功能蛋白，其构象变化将影响细胞在基底上的粘附。研究发现，压电效应的产生能够显著提升薄膜的表面电势，改变其表面纤连蛋白的构象，蛋白二级结构中α-螺旋减少，β-折叠增加（图3），导致细胞与材料间的粘附作用降低，细胞从薄膜上整体脱落，最终实现细胞片层的有效捕获（图4）。

图4：超声前后薄膜表面及脱落细胞片的荧光染色活性评估

脱落后的细胞片维持良好的细胞连接，细胞内部骨架结构完整。双链DNA检测脱落细胞片的增殖能力，发现通过压电效应获取的细胞片活性和增殖能力良好，是其后续发挥功能的保障（图4）。

综上，这项工作发展了一种利用压电效应获取无支架细胞片的新方法。利用医用超声波诱发压电薄膜的压电势调控蛋白构象，实现细胞片的无损脱落。这一工作为无支架细胞移植提供了新的方法，并拓宽了压电材料在生物医学领域的应用。

近日，该研究成果以“Noninvasive manipulation of cell adhesion for cell harvesting with piezoelectric composite film”为题发表在学术期刊《Applied Materials Today》上。文章的第一作者是中科院北京纳米能源所的博士生万钘怡，通讯作者为李琳琳研究员和王中林院士。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.apmt.2021.101218

课题组主页：

http://www.x-mol.com/.groups/lilinlin

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