Quantifying stiffness and forces of tumor colonies and embryos using a magnetic microrobot

材料科学 刚度 牵引(地质) 牵引力 磁场 纳米技术 微尺度化学 复合材料 生物物理学 结构工程 物理 量子力学 生物 地貌学 地质学 工程类 数学教育 数学
作者
Erfan Mohagheghian,Junyu Luo,F. Max Yavitt,Fuxiang Wei,Parth Bhala,Kshitij Amar,Fazlur Rashid,Yuzheng Wang,Xingchen Liu,Chenyang Ji,Junwei Chen,David P. Arnold,Zhen Liu,Kristi S. Anseth,Ning Wang
出处
期刊:Science robotics [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:8 (74): eadc9800-eadc9800 被引量:52
标识
DOI:10.1126/scirobotics.adc9800
摘要

Stiffness and forces are two fundamental quantities essential to living cells and tissues. However, it has been a challenge to quantify both 3D traction forces and stiffness (or modulus) using the same probe in vivo. Here, we describe an approach that overcomes this challenge by creating a magnetic microrobot probe with controllable functionality. Biocompatible ferromagnetic cobalt-platinum microcrosses were fabricated, and each microcross (about 30 micrometers) was trapped inside an arginine-glycine-apartic acid-conjugated stiff poly(ethylene glycol) (PEG) round microgel (about 50 micrometers) using a microfluidic device. The stiff magnetic microrobot was seeded inside a cell colony and acted as a stiffness probe by rigidly rotating in response to an oscillatory magnetic field. Then, brief episodes of ultraviolet light exposure were applied to dynamically photodegrade and soften the fluorescent nanoparticle-embedded PEG microgel, whose deformation and 3D traction forces were quantified. Using the microrobot probe, we show that malignant tumor-repopulating cell colonies altered their modulus but not traction forces in response to different 3D substrate elasticities. Stiffness and 3D traction forces were measured, and both normal and shear traction force oscillations were observed in zebrafish embryos from blastula to gastrula. Mouse embryos generated larger tensile and compressive traction force oscillations than shear traction force oscillations during blastocyst. The microrobot probe with controllable functionality via magnetic fields could potentially be useful for studying the mechanoregulation of cells, tissues, and embryos.
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