模塊化水凝膠培養(yǎng)系統(tǒng)為細胞學研究提供高度可控的仿生培養(yǎng)平臺。該系統(tǒng)基于丙烯酰胺水凝膠材料，具有優(yōu)異的生物相容性和穩(wěn)定的力學性能，其彈性模量可在生理相關(guān)范圍內(nèi)精確調(diào)控，特別優(yōu)化了心肌組織的模擬剛度范圍，可精準構(gòu)建類體內(nèi)力學微環(huán)境。
水凝膠表面通過微印刷技術(shù)構(gòu)建特定的拓撲結(jié)構(gòu)，可精確控制細胞的粘附形態(tài)和空間排列方式，確保細胞以規(guī)律性單層陣列生長。系統(tǒng)中均勻分布的熒光微球作為位移標記物，通過高分辨率顯微成像追蹤技術(shù)，結(jié)合圖像分析算法，可精確量化細胞與基質(zhì)間的力學相互作用。
該系統(tǒng)提供標準化的六孔板和培養(yǎng)皿規(guī)格，適用于各類心肌細胞研究。支持定制化的彈性模量和微圖案參數(shù)，為心血管研究提供靈活可靠的實驗平臺。
基質(zhì)彈性調(diào)控心肌細胞形狀以優(yōu)化收縮功能【1】
McCain等（2014）的研究表明，心肌細胞的收縮功能高度依賴于其形態(tài)和基質(zhì)彈性的匹配。在模擬健康心肌彈性（13 kPa）的水凝膠基質(zhì)上，采用7:1長寬比培養(yǎng)的心肌細胞展現(xiàn)出顯著的生理功能優(yōu)勢，其肌節(jié)排列規(guī)整度、力傳導效率和收縮功能均達到理想水平，這一特性與天然心肌組織的形態(tài)學特征高度吻合。而當基質(zhì)硬度增加至模擬纖維化的90 kPa時，細胞會適應性調(diào)整為更短、更寬的形態(tài)（約2:1），但其收縮功能仍劣于7:1細胞在生理彈性基質(zhì)中的表現(xiàn)。研究還通過數(shù)學模型證明，細胞外基質(zhì)的彈性對收縮功能的影響遠大于細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)（如微管），這為通過調(diào)控基質(zhì)力學特性來優(yōu)化細胞功能提供了理論依據(jù)。
這些發(fā)現(xiàn)直接支持了我們水凝膠的設計理念——采用7:1的長寬比結(jié)構(gòu)，能夠精準模擬天然心肌的力學微環(huán)境，從而促進心肌細胞的功能成熟和組織工程構(gòu)建的效能。同時，我們的水凝膠還可通過調(diào)整彈性參數(shù)（如13 kPa或90 kPa）來匹配不同的研究需求，無論是用于心肌修復還是疾病模型構(gòu)建，都能提供接近生理或病理條件的培養(yǎng)環(huán)境。
基質(zhì)剛度是干細胞分化的關(guān)鍵調(diào)控因素【2】
這篇發(fā)表在《Nature Materials》上的研究深入探討了細胞外基質(zhì)（ECM）的物理特性對干細胞分化的影響，重點揭示了基質(zhì)剛度在調(diào)控干細胞命運中的核心作用。研究表明，在平面培養(yǎng)系統(tǒng)中，基質(zhì)的機械剛度（2-50 kPa范圍內(nèi)）是決定人類脂肪來源基質(zhì)細胞（ASCs）和骨髓間充質(zhì)基質(zhì)細胞（MSCs）向成骨或成脂方向分化的關(guān)鍵因素，而蛋白栓系和基質(zhì)孔隙率的影響則相對有限。通過系統(tǒng)實驗，作者發(fā)現(xiàn)即使改變聚丙烯酰胺凝膠的孔隙結(jié)構(gòu)或調(diào)整膠原蛋白的錨定密度（高達50倍），干細胞的成骨或成脂分化仍主要取決于基質(zhì)剛度。更重要的是，研究還證明在不依賴蛋白栓系的情況下（如使用RGD肽直接嵌入凝膠），干細胞依然能夠根據(jù)基質(zhì)剛度完成相應分化，這進一步強化了剛度信號在機械傳導中的獨立性。
我司研發(fā)的模塊化水凝膠培養(yǎng)平臺正是基于這一科學原理開發(fā)而成，通過創(chuàng)新的材料工程技術(shù)，實現(xiàn)了2-50kPa范圍內(nèi)基質(zhì)剛度的精準調(diào)控。該平臺能夠精確模擬從柔軟脂肪組織到堅硬骨組織等不同生理環(huán)境下的力學特性，為干細胞研究、組織工程和疾病建模提供高度仿真的培養(yǎng)條件。研究證實，這一剛度范圍正是調(diào)控細胞行為最關(guān)鍵的力學窗口，我們的技術(shù)突破使科研人員能夠精細復現(xiàn)各類組織的力學微環(huán)境，為探索細胞-基質(zhì)相互作用機制提供了理想的研究工具。
這項研究成果，為我們的模塊化水凝膠培養(yǎng)平臺提供了堅實的理論支撐，驗證了剛度調(diào)控在細胞培養(yǎng)中的核心價值。我們的產(chǎn)品不僅解決了傳統(tǒng)培養(yǎng)系統(tǒng)難以精確控制力學參數(shù)的難題，更為組織再生醫(yī)學、藥物開發(fā)和病理研究等領(lǐng)域帶來了革命性的技術(shù)解決方案。
基質(zhì)剛度與細胞形狀協(xié)同調(diào)控心肌細胞成熟與收縮功能【3】
這篇發(fā)表在《PNAS》上的重要研究深入探討了人多能干細胞分化心肌細胞（hPSC-CMs）的收縮功能調(diào)控機制，揭示了基質(zhì)剛度和細胞形狀對心肌細胞成熟的關(guān)鍵作用。研究發(fā)現(xiàn)，當hPSC-CMs培養(yǎng)在10 kPa生理剛度基板上并采用7:1長寬比的矩形微圖案時，肌原纖維排列呈現(xiàn)高度有序性，肌節(jié)縮短與機械輸出的轉(zhuǎn)化效率顯著提升。這一特定培養(yǎng)條件下的細胞表現(xiàn)與成熟心肌細胞的生理特征高度吻合。這些工程化的心肌細胞不僅表現(xiàn)出接近成體心肌細胞的收縮特性，還展現(xiàn)出成熟的電生理特征、軸向鈣流傳導、系統(tǒng)性線粒體分布以及橫管樣結(jié)構(gòu)形成。研究特別指出，偏離10 kPa的基質(zhì)剛度（如6 kPa或35 kPa）會導致肌原纖維功能異常，而7:1的長寬比則是最能促進肌原纖維成熟排列的黃金比例。這些發(fā)現(xiàn)為心肌細胞體外培養(yǎng)的力學環(huán)境優(yōu)化提供了明確的科學依據(jù)。
基于這一重要研究成果，我們公司開發(fā)的模塊化水凝膠培養(yǎng)平臺實現(xiàn)了這些關(guān)鍵參數(shù)的精準控制。我們的水凝膠系統(tǒng)支持2-50kPa范圍內(nèi)的剛度精確調(diào)控，能夠復現(xiàn)從胚胎期到成體期，乃至病理狀態(tài)下的心肌組織力學特性。特別是10 kPa這一被研究證實有利于心肌細胞成熟的生理剛度，在我們的平臺上可以實現(xiàn)精準設定和穩(wěn)定維持。同時，我們的微圖案技術(shù)能夠確保細胞培養(yǎng)在7:1這一經(jīng)過驗證的長寬比矩形環(huán)境中，顯著促進肌原纖維的有序排列和收縮功能提升。這種將科學發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為工程化解決方案的能力，使我們的水凝膠平臺成為心肌疾病研究、藥物篩選和再生醫(yī)學領(lǐng)域的理想工具。通過精確模擬體內(nèi)心肌細胞的力學微環(huán)境，我們?yōu)檠芯咳藛T提供了實驗可控性和結(jié)果可靠性，大大提升了相關(guān)研究的效率和準確性。
【1】McCain ML, Yuan H, Pasqualini FS, Campbell PH, Parker KK. Matrix elasticity regulates the optimal cardiac myocyte shape for contractility. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2014;306(11):H1525-H1539. doi:10.1152/ajpheart.00799.2013
【2】Wen JH, Vincent LG, Fuhrmann A, et al. Interplay of matrix stiffness and protein tethering in stem cell differentiation. Nat Mater. 2014;13(10):979-987. doi:10.1038/nmat4051
【3】Ribeiro AJ, Ang YS, Fu JD, et al. Contractility of single cardiomyocytes differentiated from pluripotent stem cells depends on physiological shape and substrate stiffness. Proc Natl Acad Sci U S A. 2015;112(41):12705-12710. doi:10.1073/pnas.1508073112
