3D细胞培养可用于构建体外模拟体内的细胞3D微环境，用于体外研究体内细胞的生命活动，可用于生物分析、组织工程和药物筛选等诸多领域。纸作为一种成本低廉、来源丰富、生物相容性好、易于折叠和拆分、易于产业化等优点的多孔材料，已被成功用于构建细胞的3D培养平台。已有的纸基细胞培养平台均通过纸的叠加方式实现细胞的3D培养，存在孔径不可调、透光性差等缺点，在细胞培养过程中不能直接在光学显微镜下观察细胞的形态和行为。因此，研发一种新型的透明纸用于细胞的3D培养和观察很有必要。近日，陕西科技大学轻工学院张素风教授和唐蕊华讲师与西安交通大学生命科学与技术学院仿生工程与生物力学研究所李菲教授课题组合作研发了一种具有不规则孔径的透明微晶纤维素/聚乙烯醇(MCC/PVA)纸，该纸不仅能更好地模拟3D细胞环境，而且能在光学显微镜下直接、清晰地观察细胞形貌，为研究者提供了一种新型3D细胞培养和观察平台。

  针对传统细胞培养纸孔径不可调和透明度差的问题，该工作对再生微晶纳米纤维素溶解，通过添加NaCl致孔剂和浸渍PVA溶液的方法制备出具有不同尺寸孔径且透明的MCC/PVA纸，用于细胞的3D培养和观察（图1）。

图1. 透明微晶纤维素/聚乙烯醇纸的制备过程和细胞3D培养和观察示意图。

  该研究制备的透明MCC/PVA纸孔隙率为90%，水下透光率为95%（图2A），孔径从23 μm到46 μm（图2B），厚度从315 μm到436 μm，并且在浸泡PVA溶液后具有良好的机械性能（干强度和湿强度）（图2C、D）、良好的亲水性（接触角：70.8°）（图2E）和生物相容性（细胞活力高达90%）（图2F）。

图2.  透明MCC/PVA纸的物理化学性质表征结果。(A)(a, b) 透明MCC/PVA纸在(a)空气和(b)水中的照片和(c)透光率曲线；(B)不同尺寸NaCl致孔剂制备的具有不同孔径的透明MCC/PVA纸的SEM图；(C)不同孔径透明MCC纸的干强度和不同PVA浓度（0, 1%, 1.5%, 2%, 5%, 10%）浸渍后的透明MCC/PVA纸的干强度表征结果；(D) 透明MCC/PVA纸在水中浸泡7天的湿强度表征结果；(E)透明MCC/PVA纸的接触角表征结果；(F) 透明MCC/PVA纸培养MDA-MB-231细胞的荧光染色图。

  在此基础上，该研究使用单层和堆叠的多层透明MCC/PVA纸培养了乳腺癌细胞，分别用于模拟乳腺癌细胞的2D和3D培养环境，并用光学显微镜和荧光显微镜分别观察了细胞的生长状态。单层纸的2D细胞培养结果显示（图3A）：透明MCC/PVA纸可直观地在光学显微镜和荧光显微镜下观察到的细胞形貌，并且其分辨率明显高于普通滤纸；多层纸的3D细胞培养结果显示（图3B）：将多层纸剥离为单层后，可在光学显微镜和荧光显微镜下观察细胞的形貌，发现细胞有往下层纸生长和迁移的现象，并且细胞的生长状态良好。此结果证明制备的透明MCC/PVA纸可成功用于细胞的3D培养和观察。

图3. 单层和多层透明MCC/PVA纸上培养的MDA-MB-231细胞的光学显微镜和荧光显微镜图像。 (A)单层和(B)多层透明MCC/PVA纸上培养的MDA-MB-231细胞光学显微镜和荧光显微镜图像。(A)(a)光学图像，(b)荧光图像；(B)从上到下：(a, d)第一层，(b, e)第二层，(c, f)第三层。

  以上研究成果以“Transparent Microcrystalline Cellulose/Polyvinyl Alcohol Paper as A New Platform for Three-Dimensional Cell Culture”为题发表在美国化学会杂志Analytical Chemistry 上。陕西科技大学唐蕊华讲师是文章第一作者，西安交通大学李菲教授和陕西科技大学张素风教授为通讯作者，陕西科技大学研究生刘丽娜、李敏、姚雪和西安交通大学生命科学与技术学院仿生工程与生物力学研究所研究生杨耀维为该文的其他作者。该工作得到了国家自然科学基金、中国博士后基金、陕西省自然科学基础研究计划等项目的资助。

  论文链接：https://dx.doi.org/10.1021/acs.analchem.0c03458