Effect of substrate mechanical properties on neural cell mechanics

Abstract

While an animal body contains a wide range of tissue types, most cells are subjected only to soft environments in vivo, neural cells in particular. Living cells are however able to sense mechanical properties of their surroundings, which plays an essential role in regulating cell behavior. Acknowledging this mechanosensory nature of cells is becoming ever more important in making accurate cell/organ models or treating various pathologies with implants. While soft materials are readily available, they usually lack the functionalities necessary in sensing electrical or chemical signals from the cells. Thus, mechanical biocompatibility of the typically used functional materials must be assessed.

Atomic force microscopy was used in this study to measure elasticity of living cells on various materials with different mechanical properties, including vertically aligned carbon nanofibers. Two neural cell lines, PC-12 Adh and C6, were found to show similar level of cytoskeletal strengthening on both soft hydrogel and carbon nanofibers, indicating both samples appearing soft from the cellular perspective.

Intriguingly, carbon nanofibers are also known to be both electrically and electrochemically active functional materials. The results obtained here provide an early indication for mechanical biocompatibility of vertically aligned carbon nanofibers, further supporting their use as a sensory material for measuring the behavior of neural cells.

Eläinsolut elävät kudoksissa, jotka ovat pääsääntöisesti pehmeitä materiaaleja muutamaa poikkeusta lukuun ottamatta. Koska solut kykenevät aistimaan ympäristönsä mekaanisia ominaisuuksia, voivat ne myös muuntaa käyttäytymistään ympäristönsä mekaanisten signaaleiden seurauksena. Tämän on havaittu olevan keskeisessä roolissa monissa solun toimintaa säätelevissä tapahtumissa, minkä seurauksena ympäristön mekaaniset ominaisuudet tulee ottaa huomioon tehtäessä entistä tarkempia solumalleja kuin myös suunnitellessa pitkäaikaisia implantteja.

Pinnan kovuuden vaikutusta solujen sisäiseen mekaniikkaan mitattiin tässä työssä atomivoimamikroskopialla ja fluoresenssikuvantamisella. Hermostosta peräisin olevien PC-12 Adh ja C6 -solulinjojen välillä havaittiin samankaltaista käyttäytymistä: solut näyttäytyivät yhtä kovina sekä vertikaalisesti kasvatettujen hiilinanokuitujen että pehmeän hydrogeelin päällä, mikä indikoi solujen kokevan nämä materiaalit yhtä pehmeinä.

Hiilinanoputket voivat toimia sekä normaalina sähköisenä elektrodina että sähkökemiallisena elektrodina. Koska hermoston solujen ympäristö on luontaisesti erittäin pehmeää, viittaa tämä löydös parempaan mekaaniseen yhteensopivuuteen vertikaalisten hiilinanoputkien päällä verrattuna normaalisti käytettyihin elektrodimateriaaleihin, jotka ovat varsin kovia.