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

Stel je voor dat je een piepkleine, levende stad probeert te bouwen in een reageerbuis. In deze stad zijn de gebouwen cellen, en net als mensen in een echte stad moeten ze in nette rijen op een rij staan om hun werk goed te kunnen doen. Denk aan skeletspieren of zenuwcellen als een team roeiers; als ze allemaal een andere kant op kijken, gaat de boot nergens heen. Lange tijd hebben wetenschappers geprobeerd deze "steden" te bouwen door minuscule wegen en patronen in plastic oppervlakken te kerven met dure, hoogtechnologische machines. Maar deze machines zijn als proberen een meesterwerk te schilderen met een bulldozer—ze zijn kostbaar en missen vaak de rommelige, ingewikkelde details die in de natuur voorkomen. Dit artikel duikt in een hoek van de wetenschap genaamd weefselengineering, waarbij het doel is om gezond weefsel in een laboratorium te kweken. De grote vraag hier is: hoe maken we een oppervlak dat cellen voor de gek houdt zodat ze zich perfect op een rij zetten, net zoals ze dat in ons lichaam doen, zonder een fortuin uit te geven of de natuurlijke complexiteit te verliezen?

De onderzoekers achter deze studie besloten niet tegen de natuur te vechten, maar er juist van te lenen. In plaats van complexe machines te gebruiken om patronen te kerven, pakten ze een blad. Ja, een echt blad! Ze realiseerden zich dat bladeren bedekt zijn met kleine, natuurlijke groeven en richels, een beetje als een vingerafdruk gemaakt door een plant. Ze gebruikten deze bladeren als "stempels" om hun patronen in een zacht, rekbaar materiaal te drukken genaamd PDMS (denk aan een soort hoogwaardig, transparant rubber). Zodra het rubber hard werd, verwijderden ze het blad, waardoor een perfecte, bobbelige replica van het bladoppervlak achterbleef. Daarna boden ze gasterschap aan een specifiek type spiercel genaamd C2C12 (een laboratoriumversie van spierbouwers) en keken ze hoe deze cellen reageerden op de verschillende bladtexturen.

Het team behandelde de bladeren als een menu van verschillende dansvloeren. Ze testten de voor- en achterkant van bladeren van een Bananenplant (Musaceae) en een Dracaena Sanderiana. Wanneer de spiercellen dansten op de rubberen kopieën van de achterkant van het Bananenblad, rekten ze zich uit tot lange, dunne vormen met een aspectratio van 8,3. Aan de voorkant van hetzelfde blad rekten ze zich ook goed uit, waarbij ze een aspectratio van 6,3 bereikten. Dit waren de langste, meest uitgerekte cellen die het team zag. Echter, wanneer het ging om het in een rechte, ordelijke rij staan, waren de cellen op de rubberen kopie van de achterkant van het Dracaena-blad het meest gehoorzaam, wat de hoogste mate van uitlijning liet zien.

Maar de wetenschappers stopten niet bij slechts twee planten. Ze realiseerden zich dat er zoveel verschillende bladeren zijn, dat het moeilijk is om te weten welk blad de beste "dansvloer" voor cellen vormt. Om dit op te lossen, maakten ze een catalogus van 15 verschillende bladoppervlakken. Ze keken er niet alleen naar; ze gebruikten een speciale computertool genaamd 2D FFT-analyse om de "golflengte" van de groeven te meten, wat in fe�els de ritmiek en de afstand tussen de bobbels bepaalt. Ze controleerden ook hoe water zich op deze oppervlakken gedroeg, waarbij ze de "watercontacthoek" maten om te zien of de bladeren watervriendelijk of waterafstotend waren.

Het artikel suggereert dat het geheim om cellen in een rij te krijgen niet slechts één ding is; het is een combinatie van de fysieke bobbels op het oppervlak en hoe het oppervlak met water omgaat. Hoewel de patronen van het Bananenblad de cellen het meest lieten uitrekken, en de Dracaena-patronen de cellen het rechtstreeksst lieten uitlijnen, merken de auteurs op dat het vinden van het perfecte ontwerp lastig is omdat er zoveel natuurlijke variaties zijn. Ze hebben geen enkele "winnaar" uitgeroepen voor alle situaties, maar ze hebben wel een veel duidelijkere kaart geleverd van hoe verschillende bladtexturen het celgedrag beïnvloeden. Hun bevindingen wijzen erop dat als we in de toekomst betere kunstmatige weefsels willen bouwen, we heel goed moeten letten op zowel de vorm van het oppervlak als op hoe nat of droog het aanvoelt, waarbij we de blauwdrukken van de natuur zelf als gids gebruiken.