Bio-mimicked Leaf-Imprinted Topographies: Pattern Characterization and Cell Response

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine winzige, lebendige Stadt in einem Reagenzglas zu bauen. In dieser Stadt sind die Gebäude Zellen, und genau wie Menschen in einer echten Stadt müssen sie sich in ordentlichen Reihen aufstellen, um ihre Arbeit richtig zu erledigen. Betrachten Sie Skelettmuskeln oder Nervenzellen als ein Team von Ruderern; wenn alle in verschiedene Richtungen blicken, bewegt sich das Boot nirgendwohin. Lange Zeit haben Wissenschaftler versucht, diese „Städte“ zu bauen, indem sie mit teuren Hochtechnologie-Maschinen winzige Straßen und Muster in Kunststoffoberflächen schnitzten. Aber diese Maschinen sind wie der Versuch, ein Meisterwerk mit einem Bulldozer zu malen – sie sind kostspielig und übersehen oft die unordentlichen, komplizierten Details, die in der Natur vorkommen. Diese Arbeit taucht in einen Bereich der Wissenschaft namens Tissue Engineering (Gewebezüchtung) ein, bei dem das Ziel darin besteht, gesundes Gewebe im Labor zu züchten. Die große Frage hierbei ist: Wie erschaffen wir eine Oberfläche, die Zellen dazu verleitet, sich perfekt auszurichten, genau wie sie es in unserem Körper tun, ohne ein Vermögen auszuge-geben oder die natürliche Komplexität zu verlieren?

Die Forscher hinter dieser Studie beschlossen, nicht gegen die Natur zu kämpfen, sondern sich von ihr inspirieren zu lassen. Anstatt komplexe Maschinen zu verwenden, um Muster zu schnitzen, nahmen sie ein Blatt. Ja, ein echtes Blatt! Sie erkannten, dass Blätter mit winzigen, natürlichen Rillen und Graten bedeckt sind, so etwas wie ein Fingerabdruck, der von einer Pflanze gemacht wurde. Sie nutzten diese Blätter als „Stempel“, um ihre Muster in ein weiches, dehnbares Material namens PDMS (denken Sie an ein hochmodernes, klares Gummi) zu pressen. Sobald das Gummi ausgehärtet war, zogen sie das Blatt ab und hinterließen ein perfektes, unebenes Abbild der Blattoberfläche. Dann luden sie eine bestimmte Art von Muskelzelle namens C2C12 (eine im Labor gezüchtete Version von Muskelbauern) ein und beobachteten, wie diese Zellen auf die unterschiedlichen Blatttexturen reagierten.

Das Team behandelte die Blätter wie eine Auswahl an verschiedenen Tanzflächen. Sie testeten die Vorder- und Rückseiten von Blättern einer Bananenpflanze (Musaceae) und einer Dracaena (Dracaena Sanderemannii). Als die Muskelzellen auf der Gummikopie der Rückseite des Bananenblattes tanzten, streckten sie sich zu langen, dünnen Formen mit einem Aspektverhältnis von 8,3 aus. Auf der Vorderseite desselben Blattes streckten sie sich ebenfalls gut und erreichten ein Aspektverhältnis von 6,3. Dies waren die längsten, am weitesten gestreckten Zellen, die das Team sah. Wenn es jedoch darum ging, sich in einer geraden, geordneten Reihe aufzustellen, waren die Zellen auf der Gummikopie der Rückseite des Dracaena-Blattes am gehorsamsten und zeigten den höchsten Grad an Ausrichtung.

Doch die Wissenschaftler hielten nicht bei nur zwei Pflanzen an. Sie erkannten, dass es mit so vielen verschiedenen Blättern schwierig ist zu wissen, welches die beste „Tanzfläche“ für Zellen macht. Um dies zu lösen, erstellten sie einen Katalog von 15 verschiedenen Blattoberflächen. Sie betrachteten diese nicht nur; sie verwendeten ein spezielles Computertool namens 2D-FFT-Analyse, um die „Wellenlänge“ der Rillen zu messen, was im Wesentlichen den Rhythmus und den Abstand der Blattunebenheiten ermittelte. Sie überprüften auch, wie Wasser auf diesen Oberflächen reagierte, indem sie den „Wasserkontaktwinkel“ maßen, um zu sehen, ob die Blätter wasserfreundlich oder wasserabweisend waren.

Die Arbeit legt nahe, dass das Geheimnis, Zellen zum Ausrichten zu bringen, nicht nur eine Sache ist; es ist eine Mischung aus den physischen Unebenheiten der Oberfläche und der Art und Weise, wie die Oberfläche mit Wasser interagiert. Während die Muster des Bananenblattes die Zellen am stärksten dehnten und die Dracaena-Muster die Zellen am geradesten ausrichteten, merken die Autoren an, dass es schwierig ist, das perfekte Design zu finden, da es so viele natürliche Variationen gibt. Sie haben keinen einzelnen „Gewinner“ für alle Situationen ausgerufen, aber sie haben eine viel klarere Karte erstellt, wie verschiedene Blatttexturen das Zellverhalten beeinflussen. Ihre Ergebnisse deuten darauf an, dass wir, wenn wir in Zukunft bessere künstliche Gewebe bauen wollen, sowohl auf die Form der Oberfläche als auch darauf, wie nass oder trocken sie sich anfühlt, achten müssen und dabei die Baupläne der Natur selbst als Leitfaden nutzen sollten.