Hybrid MPL-Träger mit nanoskalärer Mechanobiologie für Bone-on-Chip

Die Konstruktion physiologisch relevanter 3D-Mikroumgebungen ist entscheidend für das Studium des Zellverhaltens und den Fortschritt in der regenerativen Medizin. Wir präsentieren ein neues hybrides Gerüst, das durch Multi-Photonen-Lithografie (MPL) hergestellt wurde und synthetische Polymere (BisSR/CEA) mit methacryliertem Kollagen Typ I (Coll-MA) integriert, um Einzelzellen einzuschließen und langfristig zu kultivieren. Dies ist der erste Nachweis eines 3D-MPL-druckbaren biologisch abbaubaren Gerüsts, das knochenähnliche Steifigkeit imitiert und raumgesteuertes, biologisch abbaubares Remodellieren ermöglicht. Die nanoskalige Feature-Größe und die mechanischen Eigenschaften werden mittels Atomic Force Microscopy (AFM) validiert, während die nanoskalige Bioaktivität des Gerüsts durch Single-Molecule Localization Microscopy (SMLM) bestätigt wird. Wir verfolgen Vinculin, ein Protein der Zelladhärenz, mit Einzelmolekülauflösung während der Expansion mesenchymaler Stammzellen (MSC) und der osteogenen Differenzierung. Ein neues Ergebnis ist die zeitabhängige axiale Migration von Vinculin-Clustern, die unabhängig von der Gerüstzusammensetzung erfolgt. Trotz ähnlicher Mechanosensing-Profile erhöhen hybride Gerüste die Expression osteogener Marker (Kollagen I, Osteocalcin) signifikant und zeigen, dass die Bioaktivität und Geometrie des Gerüsts, nicht nur die Steifigkeit, das Schicksal von Stammzellen beeinflussen. Die Zellexpansion ist stark von der Gerüstzusammensetzung abhängig, was über einen bestimmten Zeitraum ein biologisch abbaubares Remodellieren zeigt. Diese Plattform bietet ein neues Werkzeug, um Zell-Matrix-Interaktionen auf Einzelzellen- und Einzelmolekülebene zu untersuchen und verspricht Anwendungen in Organ-on-Chip-Systemen (z.B. Modelle für die Knochen-Knorpel-Schnittstelle) und personalisierten regenerativen Therapien.