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Mechanical Memory Induction by Microgrooved Hydrogels Enables Stem Cell–Driven Cartilage Repair

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作者
Siying Wu,Yuxuan Wang,Haoran Feng,Ziyan Wang,Yang Liu,Yuanhao Fan,Yonghao Pan,L.B. Zhou,Qiuchi Xu,Jiawei Li,Assanali Sultanbekov,Jianqun Wu,Fangyi Chen,Yiming Li,Decheng Wu,Guibing Fu,Ting-Hsuan Chen,Chao Liu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.5c20922
摘要

Mechanical memory, or when cells retain traits from their physical environment, influences stem cell fate. During cartilage repair, the extra-cellular mechanical microenvironment could direct stem cell behavior through mechanical memory. In this study, we developed a micropattern-based method to impart mechanical memory in human synovial-derived stem cells (hSSCs), through the process of mechanical dosing. Photolithography was employed to create gelatin hydrogels with grooved patterns at the micron scale (20-200 μm). Mechanical dosing was applied by culturing hSSCs on groove-patterned hydrogel substrates for 3 days to establish mechanical memory. Based on protein and gene expression analyses, 50 μm was identified as the optimal groove size for promoting chondrogenesis. Extending the mechanical dosing period to 6 days further enhanced the effect. RNA sequencing revealed that 6 days of mechanical dosing increased expression of TGF-β3, Sox9, and ACAN genes. In a mouse model of full-thickness cartilage defect, 6 day mechanically dosed hSSCs demonstrated enhanced cartilage repair. Super-resolution imaging and microindentation assays showed that mechanical dosing reconfigures load-bearing cytoskeletal structures, establishing mechanical memory that promotes chondrogenesis via TGF-β pathway activation. Together, this study demonstrates that microgroove-patterned hydrogels could induce chondrogenic mechanical memory in hSSCs, improving their cartilage repair potential. This approach offers a promising strategy for advancing tissue engineering and regenerative medicine.

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