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心臟具有復雜的三維（3D）層流肌纖維組織;然而，由于工程生理相關的3D組織仍然是一個技術挑戰(zhàn)，心肌細胞比對激發(fā) - 收縮耦合，縮短和力發(fā)展的影響尚未得到系統(tǒng)研究。3D中的細胞形狀和方向可以通過工程支架微觀結(jié)構(gòu)和封裝這些幾何線索附近的細胞來控制。在這里，我們展示了一種通過微尺度連續(xù)光學打印（μCOP）圖案化在3D甲基丙烯酸明膠（GelMA）支架中的細胞包封的新方法可以快速在可光交聯(lián)的水凝膠中快速顯微模式新生小鼠心室心肌細胞（NMVCMs）。封裝的心肌細胞優(yōu)先與工程微結(jié)構(gòu)對齊，并且可以顯示體內(nèi)心肌的形態(tài)和肌原纖維取向表型。利用μCOP系統(tǒng)，直接印刷一個不對稱的，多材料的，基于懸臂的腳手架，使微組織產(chǎn)生的力被傳遞到單個可變形的柱子上。與對齊的 2D 種子樣品相比，對齊的 3D 封裝 NMVCM 支架產(chǎn)生的力幾乎是其 2 倍。為了進一步突出μCOP的靈活性，NMVCMs被封裝在幾種模式中，以比較不同程度的對齊對組織位移和同步性的影響。良好對齊的肌纖維培養(yǎng)模式產(chǎn)生的收縮力是各向異性模式較少的結(jié)構(gòu)的4-10倍。最后，NMVCM包封結(jié)構(gòu)的歸一化氟-4熒光顯示出特征性的鈣瞬態(tài)波形，在用100 nM異丙腎上腺素治療期間，鈣瞬態(tài)波形的幅度和下降速度增加。這種新型的儀器化3D心臟微組織作為生理相關的體外模型系統(tǒng)，在心臟病建模和藥物篩選中具有巨大的應用潛力。
利用μCOP系統(tǒng)聚合直徑1 mm×2 mm高的各向同性圓柱體，并在37°C下膨脹1，10和31天。使用細cellscale的Microtester進行壓縮測試。將樣品在37°C的DPBS浴中孵育。 實驗參數(shù)包括1分鐘內(nèi)施加的100 μN的力速率。使用光束方程 [27] 計算力：
其中D是位移，F是力，L是梁的長度，E是模量。我圓柱體由以下機構(gòu)給出：
其中 r 是光束的半徑。
在應力-應變曲線的線性區(qū)域內(nèi)，在 5–15% 的凝膠、2% 的 HAGM/2% PEGDA 的條件下測定壓縮模量。
為了確定3D打印的微組織產(chǎn)生的力，使用Mcrotester吸管測量了三個級別的打印：15%GelMA獨立式支柱，沒有細胞的三組分支架（無細胞），以及帶有封裝NMVCMs的三組分支架。將獨立式和非細胞支架在37°C 5%CO下孵育2在 DPBS 中，使用 1% 抗生素 1% 抗真菌藥物。在第1天，第10天和第30天測量樣品，并將其放在側(cè)面并在室溫下浸沒在DPBS浴中。使用鎢絲束壓制樣品，測量從底座施加的力點。將樣品置換20μm，并使用等式1和2測量的力來計算樣品模量[27]：
其中ω是位移，F是力，γ是幾何模量，I是2斷續(xù)器慣性矩（長方體），L是高度，x是施加力的高度。
其中 h = 長度，b = 寬度。
最后，將NMVCM封裝的樣品浸沒在37°C的無鈣和40 mM 2，3丁二酮單肟（BDM）的Tyrode溶液浴中，以充分松弛3D打印的微組織。使用鎢絲束壓制樣品，測量從底座施加的力點。為了確定支架內(nèi)細胞的影響，將樣品置換20μm并測量如前所述的力。使用方程式3和4，使用松弛的細胞支架的模量，根據(jù)視頻的測量位移計算對齊組織的力。
| 直徑1 mm，高2 mm的各向同性圓柱，在37℃下膨脹1、10和31天。 壓縮測試，37℃ DPBS，1 min內(nèi)施加到100 μN： D = F×L3 / 3×E×I，D是位移，F(xiàn)是力，L是梁的長度，E是模量； I = πr4 / 4，r是梁的半徑 通過應力-應變曲線的線性區(qū)域，確定5-15％GelMA和2％HAGM/2％PEGDA壓縮模量 |
壓縮、拉伸、彎曲、壓痕和剪切測試的測試模式
0.1μm分辨率的高精度壓電執(zhí)行器
可選雙軸成像
解像力降至10nN
高分辨率的CCD成像
集成溫控介質(zhì)浴
功能齊全的用戶界面軟件，可進行實時反饋的簡單、循環(huán)、松弛和多模式測試
Mi
壓縮、拉伸、彎曲和壓痕測試的測試模式
適合測各種不同的應用，并且價格公道
1μm分辨率的高精度壓步進馬達
解像力降至10nN
高分辨率的CCD成像
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| MTG2 | MTLT | |
| 外形尺寸 | 56 X 14 X 24cm | 52 X 17 X 21cm |
| 重量 | 9kg | 6.5kg |
| 力度大小 | 500mN | 500mN |
| 可用的力傳感器 | 0.005, 0.02, 0.08, 0.2, 1, 5, 25, 100, 500mN | 0.005, 0.02, 0.08, 0.2, 1, 5, 25, 100, 500mN |
| 力的準確性 | 約換能器容量的0.2% | 約換能器容量的0.2% |
| 最大夾點分離 | 約10mm | 約10mm |
| 最大速度 | 5mm/s | 5mm/s |
| 最大循環(huán)頻率 | 0.1Hz | 0.1Hz |
| 最大數(shù)據(jù)頻率 | 5Hz | 5Hz |
| Actuator Technology | Piezo-electric Motor | Stepper Motor |
| Actuator Resolution | 0.1um | 1um |
| Range of Field of View | 0.4-11.0mm | 0.8-5.5mm |
| Vertical Image Resolution | 2048px | 1536px |
| Secondary Camera Option | Yes | No |
| Secondary Test Axis Option (Shear) | Yes | No |
