《Journal of Biomechanics》：Finite element modelling for elucidating surface topography influence on cell-substrate interaction on fatty acid-modified PCL substrate
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拉杰迪普·甘古利（Rajdeep Ganguly）|桑迪普·乔杜里（Sandeep Choudhury）|阿比谢克·古普塔（Abhisek Gupta）|阿米特·罗伊·乔杜里（Amit Roy Chowdhury）|阿南亚·巴鲁伊（Ananya Barui）印度工程科学与技术学院
拉杰迪普·甘古利（Rajdeep Ganguly）|桑迪普·乔杜里（Sandeep Choudhury）|阿比谢克·古普塔（Abhisek Gupta）|阿米特·罗伊·乔杜里（Amit Roy Chowdhury）|阿南亚·巴鲁伊（Ananya Barui）
印度工程科学与技术学院医疗保健科学与技术中心，植物园区域，豪拉，西孟加拉邦711103，印度
摘要
表面地形是决定细胞生物力学行为的一个重要因素。在这项研究中，通过用油酸（OA）对聚（ε-己内酯）（PCL）基底进行化学改性，以调整表面粗糙度，并通过计算方法研究细胞-基底相互作用。纳米压痕实验的机械特性分析表明，从PCL到PCL-OA，杨氏模量有所降低，证实了油酸作为增塑剂的作用。将脂质加入基底组成中提高了基底的亲水性，这一点通过ATR-FTIR光谱和表面润湿性分析得到了验证。
采用原子力显微镜（AFM）获取地形特征，并将这些数据用于开发有限元分析（FEA）的细胞-基底模型。FEA模拟使用了ANSYS Workbench软件，涉及的细胞模型包括半球形细胞模型、WI-38成纤维细胞模型和A549（肺腺癌）模型。每个细胞类型都在生理相关载荷下被视为弹性连续体。实证数据与模拟结果的结合，将支架的微观和纳米尺度粗糙度与细胞行为相关联。
不同细胞类型表现出不同的变形模式和应变分布。基底刚度和粗糙度的变化显著改变了细胞-基底界面处细胞的机械参数。因此，将AFM获取的表面地形实证数据与FEA结果相结合，有助于构建预测性框架，以设计出能够评估多种细胞表型生物力学兼容性的表面工程基底。
引言
随着再生医学和组织工程的发展，制造支架变得至关重要，因为这为所需表型的细胞提供了增殖的场所，从而缓解组织损伤（Chan和Leong，2008）。支架制造策略的整合以及化学成分的结合，赋予了基底独特的材料特性，如刚性、粗糙度以及增强的生物相容性等（Cardoso等人，2017，Cardoso等人，2016，Das等人，2021，Lin等人，2024）。这些特性通过生物化学和生物物理学机制调控细胞行为，修复受损组织（Engler等人，2006，Hou等人，2020，Wei等人，2019）。因此，研究支架特性对于合成生物相容性支架至关重要，其中表面地形尤为重要。
表面地形通过调控细胞的黏附、增殖和分化来控制细胞行为。特别是在存在粗糙度梯度的情况下，表面地形会影响细胞黏附。与未经处理的支架相比，化学处理过的聚（ε-己内酯）（PCL）支架表现出更好的细胞附着、扩散和增殖效果（Zhou等人，2020）。表面粗糙度会诱导细胞形态变化，增加整合素活性和层粘连蛋白-5的表达（Yamashita等人，2009，Zou等人，2019）。
PCL因其生物相容性和易于制造的工艺而常被用作支架材料。然而，其天然的较低生物活性可能会降低细胞-材料的相互作用（Wang等人，2022）。研究人员添加了各种生物分子来提高其生物活性（Chen等人，2025，Das等人，2021，Ghaedamini等人，2023）。然而，PCL与脂质的结合研究尚不够充分。因此，本研究通过向PCL中加入油酸（OA），详细评估了这种溶剂浇铸混合物的表面地形特性，基于先前的研究声称PCL与OA混合后可增加粗糙度（Lin等人，2024）。
尽管进行了大量实验研究，但表面地形与细胞行为之间的生物力学关系仍不完全清楚（Hassan等人，2019，Santoro等人，2024）。此外，由于相互作用的多尺度和高度局部化特性，解析细胞-基底界面的细胞反应具有挑战性。有限元（FE）方法的应用有助于准确理解不同表面地形条件下的细胞生物力学响应。虽然最近有FE研究评估了不同粘附细胞在各种基底表面的机械响应，但这些研究尚未完全适应实验中的基底地形（Gupta等人，2024，Gupta等人，2023）。在这方面，实证数据可以提供基底的精确生物物理特性，而FE分析（FEA）可以更真实地预测细胞相互作用。
本研究采用FEA模拟了经过油酸处理的PCL支架在不同表面地形下的机械微环境。选择半球形细胞模型、A549（肺腺癌）细胞模型和WI-38（成纤维细胞）模型，系统地捕捉细胞几何形状和机械特性对基底介导响应的影响。半球形模型提供了一个各向同性的参考，消除了任何几何偏差（Wójcik-Grz?ba和Kwa?niewski，2015）。A549模型表现出广泛的表型分布和较大的接触面积，便于计算局部应变和能量参数（McEvoy等人，2017，Monteiro等人，2011）。WI-38成纤维细胞模型产生了几何各向异性，计算了方向依赖的变形和应变分布（Gould等人，2012，Wang等人，2024）。这些模型共同构成了一个分层的机械谱系，确保任何变化都是由真实的细胞-基底耦合引起的，而非数值伪影，从而提高了模拟的可靠性和可解释性。模拟的应变分布和变形模式与现有文献中观察到的细胞反应相符，证明了表面粗糙度对细胞机械响应的影响。因此，当前框架旨在模拟具有调节表面特性的生物活性支架上的细胞反应。
部分摘录
支架制造
PCL支架的制备方法是：将12%的PCL（Sigma Aldrich，英国）（w/v）溶解在氯仿（SRL，印度）中，然后浇铸到玻璃培养皿上，在室温下风干过夜。PCL-OA支架的制备方法类似，只是在溶液中加入了31 mM的油酸（Loba ChemiePvt. Ltd., 印度）。
扫描电子显微镜（SEM）
使用场发射扫描电子显微镜（FESEM，Zeiss，德国）对PCL和PCL-OA基底的表面进行成像。在显微镜观察之前，先在基底表面涂覆了一层金（约2 nm）
支架的物理化学表征
FESEM显示了不同的基底地形（图2A和B）。孔径分布（图2C和D）表明，PCL-OA的孔径范围（10–250 μm）比PCL的孔径范围（10-40 μm）更宽。表面润湿性分析显示，PCL的水接触角为86.676 ± 0.81°，而PCL-OA的水接触角为84.02 ± 0.72°（图2E）。
光谱表征
ATR-FTIR光谱（图2F和表3）证实了油酸和基底的化学组成。PCL的吸收波长在1045.44至1163.09 cm?1之间
讨论
物理化学表征显示，油酸的加入显著改变了PCL的表面形态和润湿性。PCL-OA基底的较宽孔径分布和更高的孔隙率使其表面更加粗糙，从而增强了细胞-材料的相互作用（Gupta等人，2019，Majhy等人，2021）。PCL-OA的水接触角变化与其两亲性质一致（Lin等人，2024，Mohamed等人，2019）。
ATR-FTIR分析表明
结论
本研究表明，基底刚度和地形共同介导了细胞-支架界面的细胞机械响应，这些效应可以通过综合实验和FE框架进行量化。油酸对PCL的改性降低了其弹性模量并增加了纳米尺度粗糙度，这一点通过AFM和纳米压痕实验得到证实，表现为细胞变形、应变分布、SEQ和不同细胞上的接触应变发生了显著变化
CRediT作者贡献声明
拉杰迪普·甘古利（Rajdeep Ganguly）：撰写 - 审稿与编辑、撰写 - 原稿撰写、可视化、验证、方法论、研究、正式分析、概念化。桑迪普·乔杜里（Sandeep Choudhury）：撰写 - 审稿与编辑、撰写 - 原稿撰写、可视化、验证、方法论、研究、正式分析、概念化。阿比谢克·古普塔（Abhisek Gupta）：撰写 - 审稿与编辑、撰写 - 原稿撰写、可视化、验证、方法论、研究、正式分析、概念化。阿米特·罗伊（Amit Roy）
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢卡拉格普尔印度理工学院的Samir Das博士（在Santanu Dhara教授的指导下），他在原子力显微镜实验室和纳米压痕及纳米摩擦学实验室分别帮助进行了PCL和PCL-OA支架的AFM成像和纳米压痕分析。作者还感谢加尔各答NIPER的Priyanka Das博士（在
