细胞微环境是组织发育、生理学和病理生理学中调节细胞行为和功能的关键决定因素。细胞外基质(ECM)不仅作为细胞的结构支撑，而且还提供一系列生化和生物物理线索来调节细胞行为和触发组织功能。文章指出细胞与细胞外基质之间存在双向交互作用，细胞能够主动改变周围环境以适应自身需求。研究者通过制备具有与胶原蛋白相似机械刚度的压电纤维网络，探究了细胞与基质之间的动态力学相互作用。研究结果表明，在形成成熟的细胞-基质连接点之前，细胞与基质之间存在相对滑移的状态;而在形成成熟的连接点后，细胞通过细胞内力传导将生物物理信号传递给外部，从而使纤维网络发生变形。基于这种力学-电转换机制，研究者建立了一种实时、无线和按需电刺激系统，用于刺激干细胞的行为和分化。该系统仅在需要细胞分化时产生压电电位，而在细胞扩展和黏附过程中不产生压电电位。

  PVDF纳米纤维支架具有与天然细胞外基质相似的尺寸和可调节的刚度。电纺纳米纤维具有高比表面积和开放的连通孔隙结构，有利于营养物质的扩散、细胞生长和组织再生。通过使用不同的纤维收集器，在电纺过程中制备了定向和随机排列的PVDF纳米纤维。在PVDF(聚偏氟乙烯)纳米纤维中存在两种不同的结晶形态，存在α相和β相，其中β相具有最高的压电性。通过热退火处理，可以增加PVDF纳米纤维中β相的含量，同时保持其形貌不变。定向PVDF纳米纤维的β相含量高于随机PVDF纳米纤维。通过压电响应力显微镜测量，进一步验证了PVDF纳米纤维的压电性。定向PVDF纳米纤维表现出较高的压电性能，而随机PVDF纳米纤维的压电性能较低。

  使用的聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维作为细胞支架，通过将大鼠骨髓源间充质干细胞(rBMSCs)种植在经过氧等离子体处理的定向和随机PVDF纳米纤维上，评估细胞的附着和增殖情况。氧等离子体处理可以提高支架的亲水性，促进细胞附着。实验结果显示，在纳米纤维上细胞附着良好，并且与组织培养板相比，细胞存活率没有显著差异。细胞在PVDF支架上具有更多突起和更长的细胞突触，支架的形态对细胞的胞骨骼和细胞核定向具有显著影响。此外，文中还描述了细胞与细胞外基质之间的整合素和机械连接的重要性，以及PVDF纳米纤维对细胞增殖的影响。总之，该研究表明支架形态对细胞的附着、形态和增殖能力具有显著影响。

  在神经分化培养液条件下，PVDF支架上的细胞表达神经元和神经胶质细胞标记物的程度比在传统TCPs和未经过热处理的PVDF支架上的高。另外，经过退火处理的a-PVDF支架能够更有效地促进rBMSCs的神经元样分化。显微镜下观察到，a-PVDF支架上的细胞神经突起沿纤维方向延伸更远，具有更优越的性能。因此，这一研究提供了一种新的方法来制备可以促进干细胞定向分化的支架材料。

  研究了a-PVDF纳米纤维在神经样分化的rBMSCs中的作用机制。结果表明，纳米纤维的排列和压电性是促进细胞分化的决定性因素之一。细胞牵引力会使纳米纤维发生明显的变形，并且在细胞形成FA之后才会产生足够的牵引力。作者通过荧光探针的标记和时间序列共聚焦成像等技术，观察了纳米纤维的变形及其对神经样分化的影响。同时，作者使用微尺度三点弯曲测试测量了单个PVDF纳米纤维的力学性质，计算得出其杨氏模量。最终，作者认为a-PVDF纳米纤维的刚度与脑组织相似，可能有助于神经元分化。

  作者通过监测细胞在a-PVDF上的钙离子浓度变化，发现有46.2%的细胞显示出明显的钙离子活动。通过外力作用下产生的压电势能的直接测试，作者证明了a-PVDF纳米纤维产生更高的压电效应。这种压电效应可以激活跨膜钙通道，导致细胞内Ca2+浓度增加，从而影响干细胞分化。通过纳米纤维的变形引起的压电势能的变化，实现了在需要时对细胞的电刺激，避免了早期电刺激对细胞扩展的抑制效应。

  该研究开发了一种智能压电支架，用于调控细胞与细胞外基质之间的相互作用，并通过反馈机制确定干细胞在发育过程中的命运。仅当细胞附着并形成成熟的黏附斑后，我们才能直接观察到由细胞牵引力引起的纳米纤维明显的变形和皱褶，这产生了大约98 µV至18 mV的压电位，以刺激干细胞。在无需外部机械或电刺激的情况下，在此原位电刺激下培养7天，a-PVDF支架上的骨髓间充质干细胞分化为类似神经元的细胞。这些结果帮助揭示了活体细胞与动态细胞外基质之间的循环反馈，并为设计4D组织工程支架开辟了新的途径。

  来源：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202106317?af=R