作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 胶原在蒸发液滴中的自组装产生胶原纤维的排列网络
示意图(一)滴铸程序和(二)一个蒸发的胶原液滴的俯视图和侧视图
在感兴趣的(C)边缘、(D)近边缘和(E)中间区域的胶原自组装液滴的客户关系管理图像
图像被定向成使得图像的顶部指向液滴的接触线
每个图像的位置在(B)中以虚线框突出显示
比例尺代表50微米
滴塑胶原凝胶的排列分数和纤维直径
胶原蛋白自组装液滴的客户关系管理图像
五个独立的客户关系管理图像缝合在一起，以显示胶原纤维的径向排列
比例尺，100微米
(8)对于滴塑胶原凝胶，排列分数和纤维直径是与接触线距离的函数
胶原蛋白溶液(pH 11)在受控的相对湿度下用饱和氯化镁溶液(相对湿度约31%)在UVO处理过的玻璃上胶凝
*P ≤ 0
05和***P ≤ 0
001
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aaz7748 当挥发性溶剂中含有溶质的静止液滴蒸发时，液滴中的流动会形成复杂的模式
研究人员已经在溶剂中蒸发固着液滴的过程中检验了这种迁移
在《科学进步》杂志上发表的一份新报告中，布莱恩·阿
尼格尔和一组科学家在美国普林斯顿大学研究化学和生物工程以及分子生物学
S
，显示了在蒸发含有自组装聚合物ⅰ型胶原的含水固着液滴中的流动
该材料可用于构建定向胶原纤维的水合网络
研究小组注意到了马兰戈尼效应(一个源于水滴在水面上扩散的术语)，该效应相对于环境湿度和水滴的几何形状，引导胶原纤维在毫米级区域内组装
Nerger等人
将培养的骨骼肌细胞掺入到蒸发液滴中，观察它们的集体取向以及随后响应于排列的胶原网络向肌管的分化
这项工作展示了一种简单、可调和高通量的方法来设计排列有序的纤维状水凝胶，以创造充满细胞的仿生材料
罗伯特·布朗于1828年首次报道了由蒸发驱动的流体流动产生的无数固体沉积图案，随后对其进行了研究，用于各种现代应用，包括微加工和喷墨印刷
当溶剂是挥发性的，并且由蒸发潜热驱动的马兰戈尼流动受到抑制时，也可能出现咖啡环或向外的径向流动
由表面张力的热梯度或溶质驱动梯度产生的马兰戈尼流也能产生再循环流
研究人员描述了蒸发液滴中的流动，主要是悬浮在完全蒸发的溶剂中的颗粒
在这项工作中，尼格尔等人
展示了蒸发液滴中的流动如何调节蛋白质自组装的速率，以及如何控制富含纤维细胞的蛋白质网络的排列
研究小组证明，中和的ⅰ型胶原的蒸发水滴中的流动产生了排列整齐的胶原纤维网络
热和溶质驱动的马兰戈尼效应允许蒸发液滴中的径向流动通过自组装来定向胶原纤维
科学家通过改变自组装率、环境湿度和液滴的几何形状来调整纤维的方向
结合到蒸发液滴中的骨骼肌细胞响应于胶原纤维的排列而定向并分化成多核肌管，并且只有一部分水从液滴中蒸发，产生了充满细胞的水凝胶构造
所得水凝胶在设计用于组织工程、发育生物学和自组装材料研究的仿生支架方面具有广泛的应用
滴塑胶原蛋白边缘、近边缘和中间区域珠子运动的代表性延时标准曲线视频
用氯化镁饱和溶液(相对湿度约31%)控制相对湿度，胶原溶液在UVO处理过的玻璃上胶凝
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aaz7748 胶原纤维在蒸发的胶原液滴中的自组装 该小组通过在培养皿内沉积胶原蛋白之前控制培养皿的相对湿度，将中和的ⅰ型胶原蛋白溶液滴到紫外线/臭氧处理的玻璃底培养皿上
然后，他们将培养皿放入一个更大的密封培养皿中，开始胶原蛋白的自组装
当水从液滴中蒸发时，胶原构建体自组装，研究小组观察了液滴的三个不同区域(包括边缘、近边缘和中间)中胶原纤维的取向
研究小组观察了液滴中胶原纤维的方向，并显示了它们在蒸发液滴中的变化
Nerger等人
将荧光珠结合到液滴中，以了解胶原纤维的取向是否与蒸发过程中的内部流动模式相关
然后，他们观察了珠子的运动和胶原蛋白的自组装，表明马兰戈尼流驱动了蒸发液滴内的再循环
珠子的运动与整个液滴中胶原纤维排列的模式一致
科学家们通过计算时间和总体平均参数来量化流量，包括均方位移(MSD)、总位移和珠子轨迹的速度
测量结果显示，珠粒在液滴近边缘区域的移动性增加，而珠粒的平均速度在边缘或中间区域高5-10倍
蒸发驱动独特的区域流动模式，这种模式被胶原蛋白的自组装所削弱
珠子轨迹的时间和系综平均MSD
长度超过300帧的中间区域的轨迹被消除以提高计算效率
斜率α代表符合数据的幂律指数
(二)三次重复中每一次确定的500个珠子轨迹的平均径向珠子速度
(三)正位移或负位移对应的径向流动方向
胶原蒸发液滴边缘、近边缘和中间区域的径向珠位移
黑线代表488纳米处的平均反射率
与自由流动的胶原纤维形成相关的特征时间t1和稳定的胶原纤维网络形成相关的特征时间t2标注在曲线图(D至F)上
a
u
，任意单位
基于胶原蒸发小滴的(G)边缘、(H)近边缘和(I)中间区域的珠位移的颜色编码的单珠轨迹
绘制每个感兴趣区域中长度超过20帧的前500条轨迹
在含有荧光珠的胶原蒸发液滴中观察到的流场
在UVO处理过的玻璃上，用饱和氯化镁溶液(相对湿度约31%)在受控相对湿度下使胶原溶液凝胶化
***P ≤ 0
001
学分:科学进步，doi: 10
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aaz7748 调节胶原纤维的排列和直径 Nerger等人
接下来探索了胶原纤维在液滴中的排列，其中马兰戈尼流速与蒸发速率成比例
胶原纤维的排列取决于流动诱导剪切速率
因此，研究小组假设他们可以通过调节相对湿度的变化来调整胶原蛋白的排列
这个过程允许他们也控制液滴蒸发的速度
他们在培养皿中使用纯水和饱和盐溶液进行测试，并使用共聚焦反射显微镜显示，在水或氯化钠提供的高相对湿度条件下，胶原纤维排列减少
当他们使用溴化锂降低相对湿度时，排列比例降低，同时由于胶原自组装动力学降低而增加胶原直径
相对湿度通过调节流速来调节胶原纤维的排列
因此，足够大的流速会破坏稳定胶原网络的形成
该团队还改变了溶液的酸碱度，并推断胶原纤维的排列是蒸发液滴中自组装动力学的函数
科学家可以通过控制液滴的几何形状来控制胶原蛋白排列的模式
相对湿度影响胶原纤维的排列比例和几何形状
在(甲)水(相对湿度~ 100%)和(乙)氯化钠(相对湿度~ 75%)、(丙)氯化镁(相对湿度~ 31%)或(丁)溴化锂(相对湿度~ 6%)的饱和溶液存在下，胶原微滴的近边缘区域中的代表性标准曲线图像
比例尺，50微米
(五)胶原微滴近边缘区域胶原纤维的排列比例
胶原液滴近边缘区域的平均径向珠速度
速度由500个珠子轨迹的平均值确定
胶原液滴近边缘区域的平均胶原纤维直径
在胶原微滴的近边缘区域，作为时间函数的平均径向珠速度
使用10的移动平均值平滑珠子速度数据
黑线代表488纳米处的平均反射率
用饱和氯化镁溶液或溴化锂溶液培养的液滴近边缘区的珠位移
(ⅰ)和(K)代表实验开始时的珠子轨迹，(J)和(L)代表特征时间t2之后的轨迹
绘制轨迹的总时间记录在每个图的上方
胶原溶液在UVO处理过的玻璃上胶凝
*P ≤ 0
05和***P ≤ 0
001
学分:科学进步，doi: 10
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aaz7748 将细胞排列图案化用于分化 胶原纤维的排列网络通常可以影响生理细胞和组织行为以及生物过程，是组织工程中一条有前途的途径
为了确定液滴蒸发后细胞在胶原蛋白上是否仍然存活
包括人乳腺癌或骨骼肌细胞在内的多种肿瘤细胞加入到胶原溶液中
乳腺癌细胞沿液滴中的胶原纤维径向取向，骨骼肌细胞沿胶原纤维排列方向取向
在细胞培养4天后，骨骼肌细胞分化形成多核肌管，与整个液滴的胶原纤维方向一致
为了证实胶原蛋白对分化的影响，科学家们在相同的条件下在玻璃基底上培养细胞，并注意到肌节结构相对较小且随机定向
这些数据证明了蒸发的胶原微滴是如何在毫米长度范围内形成细胞排列和分化的
胶原纤维在滴铸胶原的边缘、近边缘和中间区域自组装的代表性延时标准视频
用氯化镁饱和溶液(相对湿度约31%)控制相对湿度，胶原溶液在UVO处理过的玻璃上胶凝
学分:科学进步，doi: 10
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aaz7748 就这样，布莱恩A
尼格尔和他的同事利用蒸发ⅰ型胶原微滴产生的马兰戈尼流来调节胶原的自组装，并产生具有可调纤维排列、直径和孔隙率的三维网络
他们阻止液滴完全蒸发，形成三维水合胶原纤维网络，以支持哺乳动物细胞的生长和分化
该系统有可能产生一种简单、高通量的方法，将组织外植体或器官样体整合到胶原蛋白的排列网络中
该方法将允许生产生理相关的排列组织构建体，用于生命科学和医学的广泛应用
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