载有细胞的原纤维水凝胶哪里跑，Marangoni对流来助力！

来源：材料科学前沿

近日，美国普林斯顿大学的CelesteM. Nelson教授（通讯作者）团队报道了在蒸发液滴中的流动不仅可以调节蛋白质自组装的速率，而且还可以控制包含纤维细胞的蛋白质网络的排列。作者证明了在蒸发水滴中流动的中性型I-型胶原蛋白（一种自组装的蛋白）会产生毫米级排列的胶原纤维网络。研究发现，热的和溶解的Marangoni效应会在蒸发的液滴中产生径向流，从而在自组装过程中使胶原纤维径向定向。纤维的取向可以通过改变自组装速率、周围环境的相对湿度（RH）和液滴的几何形状来调整。此外，加入到蒸发液滴中的骨骼肌细胞会根据胶原纤维排列而集体定向并分化成多核肌管。本文中方法的一个关键区别：只有小部分水从液滴中蒸发，形成了包含细胞的水凝胶。蒸发液滴中的Marangoni对流是一种简单、可调且高通量的方法，可用于制造负载细胞的排列原纤维水凝胶。这些水凝胶将在仿生支架的设计中广泛应用，以用于组织工程和发育生物学的研究以及自组装材料的研究。该研究成果以题为“Marangoniflows drive the alignment of fibrillar cell-laden hydrogels”发布在国际著名期刊《Sci. Adv.》上。

咖啡环效应（Coffee-ring effect,CRE）是指当一滴咖啡或者茶滴落桌面时，其颗粒物质就会在桌面上留下一个染色的污渍，并且污渍的颜色是不均匀的，边缘部分要比中间更深一些，形成环状斑的现象。Marangoni对流（Marangoni flow）是指由于表面张力在液体界面起作用，引起一个表面张力梯度，表面张力梯度超过粘滞力，使液体流动，出现毛细管对流。在蒸发液滴中，流体流动取决于溶质、溶剂、液滴几何形状、底层疏水性和蒸发条件等参数。当溶剂挥发、接触线被固定、接触角不为零时，会发生向外的径向流动，即咖啡环效应，从而抑制了由蒸发潜热驱动的Marangoni对流。研究发现，流动可以产生线状结构和定向肌动蛋白网络。此外，利用蒸发液滴中的流动，还可以实现了自组装肽的纳米级比对以及DNA分子的拉伸和定向。

【图文解读】

首先，作者将I-型胶原蛋白的中和溶液滴注到经紫外线（UV）/臭氧（UVO）处理的玻璃底培养皿上。利用MgCl2饱和溶液来控制培养皿中的RH，该溶液在滴铸胶原蛋白之前沉积在培养皿的周边内部。滴铸后，将培养皿密封并放入较大的密封培养皿中，随后将其在37℃下孵育使得胶原蛋白自组装。作者利用共聚焦反射显微镜（CRM）观察胶原纤维在液滴的三个同心区域（边缘、近边缘和中间）的方向。这些区域的CRM图像显示了整个液滴的胶原纤维网络和沿接触线的明亮区域，表明胶原纤维的积累。同时，还利用CRM图像来计算较准分数，该分数表示液滴中沿径向20个方向取向的纤维的分数。发现胶原蛋白纤维在液滴的近边缘区域中的各向异性取向以及在中部和边缘区域中的各向同性取向。还发现，中间区域的胶原纤维直径和孔径小于近边缘区域。此外，还观察到胶原蛋白纤维在液滴的毫米级区域内呈放射状取向。但是，胶原纤维的排列和直径都随着距接触线距离的增加而减小。

图1、蒸发液滴中胶原蛋白的自组装产生胶原蛋白纤维排列网络

为了对蒸发液滴中流动的定量描述，作者计算了时间和整体平均方位移（MSD）、总位移和磁珠轨迹速率。发现液滴近边缘区域中的beads（珠子）具有增加的迁移率，且beads的平均速度在近边缘区域比边缘或中间区域高5至10倍。此外，作者绘制了径向珠子的位移和平均反射率以可视化流动随时间的变化。在边缘区域，由于局部涡流（movie S1），珠子同时朝着和远离接触线径向移动。

Movie S1、珠子的径向移动

考虑到平均反射率随着珠子位移的减少而增加，作者假设胶原纤维会限制珠的运动。因此作者使用延时CRM观察到珠子与胶原纤维共定位，并且稳定的纤维网络形成限制了珠子的运动（movieS3）。

Movie S3、纤维网络对珠子运动的影响

在近边缘区域，珠子最初沿径向向内移动。中间区域的珠子首先径向向内移动，后向外移动，接着大幅度地进行随机运动。总之，这些数据表明液滴蒸发驱动珠子的径向位移。在胶原蛋白自组装过程中，珠子的位移会反转方向，并通过形成胶原蛋白纤维的稳定网络而减弱。

图2、蒸发驱动不同区域流动的模式和胶原蛋白自组装的作用

为了检验改变相对湿度和蒸发速率对胶原纤维排列的影响，作者在培养皿中加入了纯水（RH〜100％）或NaCl（RH〜75％）或LiBr（RH〜6％）的饱和溶液。从近边缘区域的CRM图像计算对齐分数可以发现，在纯水或NaCl提供的较高RH条件下，胶原纤维的排列减少。还观察到沿接触线的胶原蛋白积累增加，RH降低。因此，RH可以通过改变蒸发液滴中的流速来调节胶原蛋白纤维的排列比例和直径。研究发现，在较低的相对湿度下，不能形成稳定的纤维网络。同时，足够大的流速也会破坏胶原蛋白形成的稳定网络，扭曲流动模式，并降低纤维排列。

图3、RH对胶原纤维的排列比例和几何形状的影响