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

  近日，中科院北京納米能源與系統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合薄膜材料調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）復合薄膜產生表面壓電電勢，調控粘附蛋白的構象，從而降低細胞粘附力，成功實現了在極短時間（20秒）內對間充質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，改變粘附蛋白構象，實現無損、快速的無支架細胞片的獲取

圖2：壓電復合薄膜的壓電性能及其超聲響應電輸出

  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，從而提高復合薄膜的壓電性和對機械外力的響應。相較于壓電性較弱的其他兩種材料（PVDF和摻雜立方相BTO納米顆粒的復合薄膜），該復合薄膜對低強度超聲（1 MHz, 0.8 W cm^-2）具有靈敏的響應和電荷輸出性能（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，其構象變化將影響細胞在基底上的粘附。研究發現，壓電效應的產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象，蛋白二級結構中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，細胞內部骨架結構完整。雙鏈DNA檢測脫落細胞片的增殖能力，發現通過壓電效應獲取的細胞片活性和增殖能力良好，是其后續發揮功能的保障（圖4）。

  綜上，這項工作發展了一種利用壓電效應獲取無支架細胞片的新方法。利用醫用超聲波誘發壓電薄膜的壓電勢調控蛋白構象，實現細胞片的無損脫落。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學領域的應用。

  近日，該研究成果以“Noninvasive manipulation of cell adhesion for cell harvesting with piezoelectric composite film”為題發表在學術期刊《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