宾夕法尼亚州立大学（Penn State）的研究人员开发出一种利用微型太阳能电池控制活细胞排列的方法，有望为组织工程中笨重的电气系统提供无线替代方案。

该方法使用分布在硅芯片上的微型光伏电池将光转换为局部电场，从而影响细胞的取向。通过改变这些微型太阳能电池的尺寸和排列方式，研究人员可以引导细胞群形成特定图案，而无需将电极直接连接到细胞上。

这项技术最终可能帮助科学家在通过3D生物打印开发生物组织时更精确地组织细胞。

微型太阳能电池引导排列

生物打印使用活细胞和被称为生物墨水的生物材料逐层构建组织。保持这些细胞有序排列非常重要，因为它们的排列方式会影响组织的发育和功能。

研究人员传统上使用电刺激来影响细胞取向。然而，这些系统通常依赖笨重的设备、有线电极和侵入性连接，使得精确控制更加困难。

为解决这个问题，宾夕法尼亚州立大学团队开发了图案化的硅光伏微电池阵列。这些微型器件捕获光并将其转换为电信号，产生影响细胞行为的局部电场。

在发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）的一项研究中，研究人员测试了两种方法。他们改变单个光伏电池的直径，范围从80到800微米，并在保持电池尺寸不变的情况下尝试了不同的排列方式。

团队将商业来源的人肺成纤维细胞和皮肤成纤维细胞放置在硅芯片上。成纤维细胞是结缔组织细胞，帮助产生和维持组织周围的结构框架。

样本在七天内暴露于不同光强下。随后，研究人员将它们的排列与在未受光照的芯片上生长的细胞进行比较。

光模式影响生长

结果显示，未受光照培养的成纤维细胞表现出基本随机的排列。然而，暴露于光照的细胞则根据光伏阵列的图案进行排列。

研究人员还发现，改变光照强度会影响太阳能电池的电响应，提供了另一种调节细胞排列的方式。

通过调整光伏微电池的尺寸、间距和排列，团队可以修改芯片上产生的电场。

该方法无法提供对细胞组织的完全控制，因为相邻细胞之间的相互作用仍然影响它们的移动和取向。然而，它证明了光驱动的电刺激可以在没有有线电极的情况下引导活细胞群。

研究人员现在计划在更敏感的细胞类型上测试该技术，包括心肌细胞和肌肉细胞，以研究电刺激是否也能影响它们的功能。

他们还希望超越平面表面，探索三维环境。这可能使光伏阵列能够在不同方向上产生电场，从而更好地控制细胞在发育中的组织内如何组织自身。

这些发现最终可能支持更精确的组织工程和再生医学，但在该方法应用于功能性3D打印组织之前，还需要进一步的工作。