为了研究多细胞系统中的生物力学力，有效的机械刺激是一种必不可少的工具。使用基于双光子聚合（2PP）的3D微纳加工系统开发了一种3D微纳结构设备，用于模拟人类多细胞环境。该设备利用Nanoscribe的IP-PDMS和BIO-INX生物树脂，实现了高保真3D器官型细胞培养。多种细胞类型的封装和通过悬臂的精确机械刺激会触发特定的细胞反应和设备的形态变化。这种创新方法可以对多细胞系统的机械刺激进行详细研究。它在基于干细胞的类器官培养、癌症细胞球体和膝关节机械力研究中具有各种潜在的应用，以了解骨关节炎和类风湿性关节炎。该设备的多功能性凸显了其在生物医学研究中的巨大潜力

细胞活动（如发育、形态发生和新陈代谢）受机械力的显着影响。虽然之前的研究已经探究了细胞在二维环境中对机械刺激的反应，但在受控的三维环境中复制这些复杂的条件一直具有挑战性。海德堡大学的研究人员Cluster of Excellence 3D Matter Made to Order（3DMM2O）成员，他们使用Nanoscribe的3D微纳加工技术来创造高分辨率、多功能的3D微纳结构，解决了这个问题。他们开发了一种设备，其外层为 IP-PDMS材料，内层由 HYDROBIO INX N400 生物树脂与活细胞混合制成，能够在规定的机械力下进行精确的机械刺激和多细胞系统研究。

开发用于生物力学研究的 3D 微纳设备

The Selhuber-Unkel 实验室的研究人员使用 CAD 软件设计了该设备，并通过有限元分析对其进行优化，以预测机械刺激下的应变。该设备的外部使用 IP-PDMS光刻胶打印，内部使用 Hydrobio INX N400 材料打印，Hydrobio INX N400 针对活细胞打印进行了优化。研究人员使用扫描电子显微镜 （SEM）、明场和荧光显微镜验证打印质量，确保最小的膨胀和收缩。最终的设备能够支持多细胞系统，并使用悬臂实现精确的机械刺激。

3D 多材料打印的绝佳选择

多材料打印适用于创建模拟体内复杂机械环境的 3D 微结构设备。Nanoscribe的 IP-PDMS 光刻胶因其弹性和柔韧性的特点，使其成为细胞支架和组织工程的理想选择。作为Nanoscribe打印材料系列中最柔软的光刻胶，IP-PDMS的杨氏模量为15.3 MPa，可实现制作耐用且灵活的结构。HYDROBIO INX N400 是一种天然明胶基水凝胶，可与活性细胞打印相兼容。作为研究炎症性关节疾病的模型，人成纤维细胞样滑膜细胞 （HFLS） 和根据它们在关节内膜中的位置而选择的人脐静脉内皮细胞 （HUVEC） 被封装在 N400 中，以创建一个逼真的多细胞环境。

研究受刺激细胞的形态变化

3D 打印的微结构设备经过了多项严格的测试，以验证其功能和有效性。对于机械测试，使用配备已知刚度悬臂的纳米压痕仪对设备施加受控力，专门针对 IP-PDMS 电桥，以在包含细胞的水凝胶圆柱体内诱导精确位移。施加的力范围为 200 μN，频率为 0.5 Hz 至 1 Hz。在 1 Hz 时，由于其基于水凝胶树脂的特性，较高的频率导致较少的位移，从而使得细胞中的形态变化减少。当以 0.5 Hz 的机械刺激 30 分钟时，细胞表现出显着的形态变化和肌动蛋白重塑，肌动蛋白纤维在响应循环机械拉伸时表现出重组和排列。作为概念验证，青鳉视网膜类器官被封装在设备中，以证明使用这种方法也可以有效刺激预制的类器官。