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  3D細胞培養可用于構建體外模擬體內的細胞3D微環境，用于體外研究體內細胞的生命活動，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、易于產業化等優點的多孔材料，已被成功用于構建細胞的3D培養平臺。已有的紙基細胞培養平臺均通過紙的疊加方式實現細胞的3D培養，存在孔徑不可調、透光性差等缺點，在細胞培養過程中不能直接在光學顯微鏡下觀察細胞的形態和行為。因此，研發一種新型的透明紙用于細胞的3D培養和觀察很有必要。近日，陜西科技大學輕工學院張素風教授和唐蕊華講師與西安交通大學生命科學與技術學院仿生工程與生物力學研究所李菲教授課題組合作研發了一種具有不規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細胞環境，而且能在光學顯微鏡下直接、清晰地觀察細胞形貌，為研究者提供了一種新型3D細胞培養和觀察平臺。

  針對傳統細胞培養紙孔徑不可調和透明度差的問題，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紙的物理化學性質表征結果。(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紙的干強度表征結果；(D) 透明MCC/PVA紙在水中浸泡7天的濕強度表征結果；(E)透明MCC/PVA紙的接觸角表征結果；(F) 透明MCC/PVA紙培養MDA-MB-231細胞的熒光染色圖。

  在此基礎上，該研究使用單層和堆疊的多層透明MCC/PVA紙培養了乳腺癌細胞，分別用于模擬乳腺癌細胞的2D和3D培養環境，并用光學顯微鏡和熒光顯微鏡分別觀察了細胞的生長狀態。單層紙的2D細胞培養結果顯示（圖3A）：透明MCC/PVA紙可直觀地在光學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細胞培養結果顯示（圖3B）：將多層紙剝離為單層后，可在光學顯微鏡和熒光顯微鏡下觀察細胞的形貌，發現細胞有往下層紙生長和遷移的現象，并且細胞的生長狀態良好。此結果證明制備的透明MCC/PVA紙可成功用于細胞的3D培養和觀察。

圖3. 單層和多層透明MCC/PVA紙上培養的MDA-MB-231細胞的光學顯微鏡和熒光顯微鏡圖像。 (A)單層和(B)多層透明MCC/PVA紙上培養的MDA-MB-231細胞光學顯微鏡和熒光顯微鏡圖像。(A)(a)光學圖像，(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”為題發表在美國化學會雜志Analytical Chemistry 上。陜西科技大學唐蕊華講師是文章第一作者，西安交通大學李菲教授和陜西科技大學張素風教授為通訊作者，陜西科技大學研究生劉麗娜、李敏、姚雪和西安交通大學生命科學與技術學院仿生工程與生物力學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基金、中國博士后基金、陜西省自然科學基礎研究計劃等項目的資助。

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