新型紫外固化聚合物纳米压印技术实现肌肉细胞表面高精度复刻——Fahmi Samsuri团队《Journal of Nanotechnology》研究报道

第一作者与机构
本研究由新西兰坎特伯雷大学（University of Canterbury）电气与计算机工程系的Fahmi Samsuri、Maan M. Alkaisi团队联合新西兰植物与食品研究所（The New Zealand Institute for Plant & Food Research Ltd）的John S. Mitchell以及奥塔哥大学（University of Otago）健康科学研究中心的John J. Evans共同完成，成果发表于2009年《Journal of Nanotechnology》第6卷，文章编号593410，DOI:10.1155/2009/593410。

学术背景与研究目标

科学领域与挑战
本研究属于纳米生物技术与细胞成像交叉领域，致力于解决传统显微技术（如原子力显微镜AFM）在活细胞成像中的核心矛盾：高分辨率成像需要高探针力，但活细胞软组织易受损伤。尽管AFM理论上可实现50-500纳米分辨率，但现有技术需在液体环境中扫描，易受阻尼效应干扰；而透射电镜（TEM）则需复杂的脱水固定步骤，导致细胞变形伪影。

技术突破需求
此前生物压印（bioimprint）技术使用热固化聚二甲基硅氧烷（PDMS），但高温（>60°C）会导致细胞脱水。2006年团队开发的紫外固化硅氧烷共聚物虽有所改进，仍存在固化时间长（数分钟）、渗透伪影等问题。因此，亟需开发一种快速固化、生物兼容、高分辨率的新型聚合物体系。

研究目标
开发基于甲基丙烯酸/乙二醇二甲基丙烯酸酯共聚物（MAA/EGDMA）的紫外固化旋涂工艺，实现：
1. 秒级固化捕捉活细胞动态结构
2. 纳米级复刻肌肉细胞膜表面特征（如纤维、融合孔）
3. 为疾病早期诊断（如癌症膜形态变化）提供新型检测平台

研究方法与流程

2.1 细胞培养与处理

• 研究对象：L6大鼠骨骼肌细胞（200×10³或600×10³ cells/ml）
  
• 培养条件：6孔板内预清洁盖玻片，MEM培养基（含10%胎牛血清），37℃、5% CO₂环境至细胞汇合
  
• 关键控制：避免细胞过度拥挤，确保离散细胞成像
  

2.2 紫外固化压印工艺（独创技术）

1. 预处理：

   • 盖玻片经PBS冲洗，边缘吸干残留液体
     
   • 5分钟内完成聚合物涂覆以防细胞退化
     

2. 聚合物配方：

   • 三甘醇二甲醚（triglyme）1.2 mL（增粘剂/致孔剂）
     
   • 乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA）0.425 mL
     
   • 甲基丙烯酸（MAA）0.0425 mL
     
   • 光引发剂Irgacure 2022 20 μL
     

3. 旋涂-紫外同步固化：

   • 优化涂覆量125.5 μL
     
   • 50 rpm低速旋转10秒确保均匀覆盖
     
   • 汞灯（250-450 nm）辐照15分钟（氮气保护防氧化）
     
   • 核心创新：薄层固化仅需15-30秒，厚层180秒，比PDMS快100倍
     

4. 剥离与清洗：

   • 机械剥离聚合物膜
     
   • 去离子水超声清洗15-20秒去除残存细胞
     

2.3 AFM成像分析

• 设备：Veeco DI-3100 Nanoscope III AFM（轻敲模式）
  
• 参数：X/Y轴110 μm范围，Z轴6 μm分辨率
  
• 优势：低探针力（避免压印结构损伤），3D纳米级成像
  

主要研究结果

3.1 聚合物复刻效果验证

• 形态保真度：光学显微镜对比显示，肌肉细胞特征形状在压印前后保持高度一致（图2）
  
• 生物兼容性：EGDMA基聚合物无细胞毒性，聚乙烯二醇单元降低免疫反应
  

3.2 纳米级细胞结构复刻（关键发现）

1. 膜表面拓扑结构：

   • AFM图像清晰呈现肌细胞表面微纳结构（图3a），包括直径100-500 nm的凹陷（推测为融合孔，可能参与胞吐过程）
     
   • 发现阶梯状过渡结构（图4b），暗示动态膜重构事件
     

2. 肌膜（sarcolemma）亚结构：

   • 复刻出直径20-50 nm的胶原微纤维（图5a），证实技术可捕捉细胞外基质
     
   • 观察到肌动蛋白丝螺旋附着模式（图5b），与肌肉收缩机制相符
     

3. 三维形貌保留：

   • 3D成像（图6）显示肌细胞末端肌腱纤维束结构，高度保真且无探针损伤
     

3.3 技术优势定量比较

| 参数 | 本技术（MAA/EGDMA） | 传统PDMS压印 |
|——————-|———————|————–|
| 固化时间 | 15-180秒 | 数小时 |
| 理论分辨率 | <50 nm | ~100 nm | | 细胞暴露温度 | 室温 | >60°C |

研究结论与价值

科学意义
1. 方法学突破：首次将紫外固化MAA/EGDMA共聚物应用于肌肉细胞纳米压印，解决热固化导致的细胞脱水难题
2. 动态捕捉潜力：秒级固化有望记录毫秒级细胞活动（如胞吐），为活细胞动态研究提供新工具

应用前景
1. 疾病早期诊断：通过膜异常结构（如癌症相关融合孔）识别实现无创检测
2. 组织工程支架：高精度3D生物支架可指导肌肉组织再生

研究亮点

1. 双重创新材料：

   • 甲基丙烯酸酯共聚物实现生物相容性与快速固化平衡
     
   • 三甘醇二甲醚优化粘度与孔隙率
     

2. 工艺突破：

   • 旋涂-紫外同步固化工艺将传统压印时间从小时级缩短至秒级
     
   • 氮气保护防止氧阻聚，提升固化效率
     

3. 跨尺度成像能力：

   • 首次在单一压印中同时捕获肌细胞微米级整体形态（~12 μm）与纳米级膜孔洞（~50 nm）
     

局限性与展望
当前技术需完全吸除细胞表面液体，可能引发渗透压应激。未来将优化温和干燥工艺，并扩展至神经元等敏感细胞研究。