Enhanced mechanosensing of cells in synthetic 3D matrix with controlled biophysical dynamics

自愈水凝胶 生物物理学 三维细胞培养 纳米技术 化学 超分子化学 细胞 材料科学 分子 生物化学 生物 有机化学
作者
Boguang Yang,Kongchang Wei,Claudia Loebel,Kunyu Zhang,Qian Feng,Rui Li,Siu Hong Dexter Wong,Xiayi Xu,Chunhon Lau,Xiaoyu Chen,Pengchao Zhao,Chao Yin,Jason A. Burdick,Yi Wang,Liming Bian
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:12 (1) 被引量:147
标识
DOI:10.1038/s41467-021-23120-0
摘要

Abstract 3D culture of cells in designer biomaterial matrices provides a biomimetic cellular microenvironment and can yield critical insights into cellular behaviours not available from conventional 2D cultures. Hydrogels with dynamic properties, achieved by incorporating either degradable structural components or reversible dynamic crosslinks, enable efficient cell adaptation of the matrix and support associated cellular functions. Herein we demonstrate that given similar equilibrium binding constants, hydrogels containing dynamic crosslinks with a large dissociation rate constant enable cell force-induced network reorganization, which results in rapid stellate spreading, assembly, mechanosensing, and differentiation of encapsulated stem cells when compared to similar hydrogels containing dynamic crosslinks with a low dissociation rate constant. Furthermore, the static and precise conjugation of cell adhesive ligands to the hydrogel subnetwork connected by such fast-dissociating crosslinks is also required for ultra-rapid stellate spreading (within 18 h post-encapsulation) and enhanced mechanosensing of stem cells in 3D. This work reveals the correlation between microscopic cell behaviours and the molecular level binding kinetics in hydrogel networks. Our findings provide valuable guidance to the design and evaluation of supramolecular biomaterials with cell-adaptable properties for studying cells in 3D cultures.
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