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  3D細胞培養(yǎng)可用于構(gòu)建體外模擬體內(nèi)的細胞3D微環(huán)境，用于體外研究體內(nèi)細胞的生命活動，可用于生物分析、組織工程和藥物篩選等諸多領(lǐng)域。紙作為一種成本低廉、來源豐富、生物相容性好、易于折疊和拆分、易于產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)點的多孔材料，已被成功用于構(gòu)建細胞的3D培養(yǎng)平臺。已有的紙基細胞培養(yǎng)平臺均通過紙的疊加方式實現(xiàn)細胞的3D培養(yǎng)，存在孔徑不可調(diào)、透光性差等缺點，在細胞培養(yǎng)過程中不能直接在光學(xué)顯微鏡下觀察細胞的形態(tài)和行為。因此，研發(fā)一種新型的透明紙用于細胞的3D培養(yǎng)和觀察很有必要。近日，陜西科技大學(xué)輕工學(xué)院張素風(fēng)教授和唐蕊華講師與西安交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院仿生工程與生物力學(xué)研究所李菲教授課題組合作研發(fā)了一種具有不規(guī)則孔徑的透明微晶纖維素/聚乙烯醇(MCC/PVA)紙，該紙不僅能更好地模擬3D細胞環(huán)境，而且能在光學(xué)顯微鏡下直接、清晰地觀察細胞形貌，為研究者提供了一種新型3D細胞培養(yǎng)和觀察平臺。

  針對傳統(tǒng)細胞培養(yǎng)紙孔徑不可調(diào)和透明度差的問題，該工作對再生微晶納米纖維素溶解，通過添加NaCl致孔劑和浸漬PVA溶液的方法制備出具有不同尺寸孔徑且透明的MCC/PVA紙，用于細胞的3D培養(yǎng)和觀察（圖1）。

圖1. 透明微晶纖維素/聚乙烯醇紙的制備過程和細胞3D培養(yǎng)和觀察示意圖。

  該研究制備的透明MCC/PVA紙孔隙率為90%，水下透光率為95%（圖2A），孔徑從23 μm到46 μm（圖2B），厚度從315 μm到436 μm，并且在浸泡PVA溶液后具有良好的機械性能（干強度和濕強度）（圖2C、D）、良好的親水性（接觸角：70.8°）（圖2E）和生物相容性（細胞活力高達90%）（圖2F）。

圖2.  透明MCC/PVA紙的物理化學(xué)性質(zhì)表征結(jié)果。(A)(a, b) 透明MCC/PVA紙在(a)空氣和(b)水中的照片和(c)透光率曲線；(B)不同尺寸NaCl致孔劑制備的具有不同孔徑的透明MCC/PVA紙的SEM圖；(C)不同孔徑透明MCC紙的干強度和不同PVA濃度（0, 1%, 1.5%, 2%, 5%, 10%）浸漬后的透明MCC/PVA紙的干強度表征結(jié)果；(D) 透明MCC/PVA紙在水中浸泡7天的濕強度表征結(jié)果；(E)透明MCC/PVA紙的接觸角表征結(jié)果；(F) 透明MCC/PVA紙培養(yǎng)MDA-MB-231細胞的熒光染色圖。

  在此基礎(chǔ)上，該研究使用單層和堆疊的多層透明MCC/PVA紙培養(yǎng)了乳腺癌細胞，分別用于模擬乳腺癌細胞的2D和3D培養(yǎng)環(huán)境，并用光學(xué)顯微鏡和熒光顯微鏡分別觀察了細胞的生長狀態(tài)。單層紙的2D細胞培養(yǎng)結(jié)果顯示（圖3A）：透明MCC/PVA紙可直觀地在光學(xué)顯微鏡和熒光顯微鏡下觀察到的細胞形貌，并且其分辨率明顯高于普通濾紙；多層紙的3D細胞培養(yǎng)結(jié)果顯示（圖3B）：將多層紙剝離為單層后，可在光學(xué)顯微鏡和熒光顯微鏡下觀察細胞的形貌，發(fā)現(xiàn)細胞有往下層紙生長和遷移的現(xiàn)象，并且細胞的生長狀態(tài)良好。此結(jié)果證明制備的透明MCC/PVA紙可成功用于細胞的3D培養(yǎng)和觀察。

圖3. 單層和多層透明MCC/PVA紙上培養(yǎng)的MDA-MB-231細胞的光學(xué)顯微鏡和熒光顯微鏡圖像。 (A)單層和(B)多層透明MCC/PVA紙上培養(yǎng)的MDA-MB-231細胞光學(xué)顯微鏡和熒光顯微鏡圖像。(A)(a)光學(xué)圖像，(b)熒光圖像；(B)從上到下：(a, d)第一層，(b, e)第二層，(c, f)第三層。

  以上研究成果以“Transparent Microcrystalline Cellulose/Polyvinyl Alcohol Paper as A New Platform for Three-Dimensional Cell Culture”為題發(fā)表在美國化學(xué)會雜志Analytical Chemistry 上。陜西科技大學(xué)唐蕊華講師是文章第一作者，西安交通大學(xué)李菲教授和陜西科技大學(xué)張素風(fēng)教授為通訊作者，陜西科技大學(xué)研究生劉麗娜、李敏、姚雪和西安交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院仿生工程與生物力學(xué)研究所研究生楊耀維為該文的其他作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國博士后基金、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃等項目的資助。

  論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1021/acs.analchem.0c03458