随着组织工程领域的发展，生物材料界面与细胞的相互作用及物理机制成为了研究热点之一。生物界面的拓扑形貌可以有效调控细胞行为并影响细胞功能。然而体内的一些生理过程，如胚胎发育、免疫应答和组织更新与重塑等往往涉及多细胞的集体行为。肿瘤的侵袭和转移也与集体细胞的协调运动有关。细胞球作为一种体外三维细胞培养模型，具有强烈的细胞－细胞相互作用，可以在细胞生理学、信号通路、基因和蛋白表达以及气体／营养物质梯度等方面更好地模拟体内环境。因此，明确材料表面拓扑结构与细胞球的相互作用对理解体内生理、病理机制具有重要意义。但是，目前同时具有厘米级尺度和微纳米精度的跨尺度微纳拓扑结构尚难以快速制备。
中科院理化所仿生智能界面科学中心有机纳米光子学实验室郑美玲研究员团队近日在跨尺度微纳拓扑结构制备及细胞球浸润性调控方面取得了新进展。该团队提出采用飞秒激光无掩膜投影光刻技术（MOPL）制备大面积兼具高精度的微盘阵列拓扑结构以研究细胞球的浸润性。研究发现细胞球在多种不同单元直径的微盘阵列拓扑结构上展示出了不同的浸润速度。通过分析细胞形态、骨架分布和细胞黏附，解析了细胞球浸润速度的变化机制，并发现细胞球在大尺寸和小尺寸的微盘结构单元上采取不同的浸润模式。该研究揭示了细胞球对跨尺度微纳拓扑结构的响应机制，为理解组织浸润行为提供了参考。研究成果发表于Small 2023， 2300311． （DOI： 10．1002／smll．202300311），博士研究生郭敏为论文第一作者，郑美玲研究员为通讯作者。
MOPL是一种高效率且能灵活化地制备微纳拓扑结构的技术。考虑到单个细胞的尺寸以及细胞球浸润过程中与大面积拓扑结构的相互作用，作者首先利用MOPL技术制备了高度低于1μm，拓扑单元直径分别为2、5、20和50 μm的大面积（8 mm × 10 mm）微盘阵列结构（图1）。
图1．飞秒激光无掩膜投影光刻示意图及制备的微盘阵列拓扑结构
采用超低吸附法制备了大小均一的人肾透明细胞癌细胞的细胞球。然后利用激光扫描共聚焦荧光显微镜对细胞球在微盘阵列拓扑结构上的动态浸润行为进行了观察。细胞球在一系列微盘阵列拓扑结构上发生了完全浸润并展现出不同的浸润面积。结合细胞球铺展理论，通过量化不同时间点的细胞球浸润面积，发现细胞球的浸润速度在2、5、50和20 μm直径的微盘结构单元上依次减小，细胞球在直径为20 μm的微盘结构单元上具有较小的细胞－基底黏附能（图2）。
图2． 细胞球在多种拓扑结构上的动态浸润过程与分析
进一步地，利用免疫荧光染色分析了多种不同微盘结构上的细胞形态、肌动蛋白和黏着斑分布，提出细胞球在直径2μm和5 μm的小尺寸的微盘结构上采取攀爬模式浸润，在直径20μm和50 μm的较大尺寸的微盘结构上采取绕行模式浸润（图3）。细胞球的浸润过程表现为一种多细胞的集体协调运动。
图3．细胞球的攀爬浸润和绕行浸润模式解析
该研究揭示了细胞球在各向同性微盘阵列拓扑结构表面的浸润机制，促进了对细胞球与界面拓扑结构相互作用的理解。本工作是飞秒激光面投影纳米光刻技术及应用（Nano Lett． 2021，21， 3915－3921；Opt． Express 2022， 30， 36791－36801；Nano Lett． 2022， 2， 9823－9830）的拓展和深入。相关研究工作得到科技部纳米科技重点专项、国家自然科学面上基金项目和中国科学院国际伙伴计划等项目的大力支持。该课题研究过程中得到了仿生中心王树涛副所长的悉心指导。