支架的润湿性直接影响细胞附着、生长和组织形成在培养肉生产中的作用。 对于依赖锚定的细胞如肌母细胞，支架的表面必须支持蛋白质吸附，从而促进细胞粘附和发育。润湿性通过接触角来测量，决定了支架与培养基等液体的相互作用程度。
- 亲水表面（接触角 < 90°）： 促进液体扩散和蛋白质吸附，有助于细胞附着。
- 疏水表面（接触角 > 90°）： 阻止液体扩散，可能阻碍细胞粘附。
影响润湿性的关键因素：
- 表面化学: 像羟基（-OH）这样的官能团增强亲水性。
- 物理性质：粗糙度和孔隙率影响液体相互作用和营养流动。
- 材料选择：用于支架的顶级生物材料（e.g . ，细菌纤维素，植物蛋白）必须是可食用和食品级的，以用于培养肉。
挑战：
- 非动物支架通常缺乏天然的细胞结合位点，需要进行化学或结构改性。
- 支架必须在润湿性与机械性能、孔隙率和食品安全之间取得平衡。
对于生物过程工程师和研发专业人员来说，优化支架的润湿性可确保有效的细胞-支架相互作用，从而实现高质量培养肉的规模化生产。
支架润湿性的科学
什么是润湿性及其重要性？
润湿性指的是液体在固体表面上扩散的难易程度，通过接触角 来测量——即液滴与表面相接处形成的角度。接触角低于90°表示亲水表面，促进液体扩散，而接触角高于90°则表示疏水表面，阻止液体扩散。
对于培养肉支架，润湿性在蛋白质吸附中起着关键作用——这是培养基中的蛋白质附着在支架表面的过程。这些蛋白质在材料和细胞之间起桥梁作用，影响细胞的粘附、迁移、增殖和分化[1] . 没有适当的润湿性，细胞无法有效附着。
下一节深入探讨表面特性如何影响润湿性。
表面特性如何影响润湿性
润湿性不仅仅由表面化学性质决定；粗糙度和孔隙率等物理特性也起作用。粗糙的表面增加了材料与液体之间的接触面积，增强了表面的天然亲水或疏水倾向。另一方面，高孔隙率允许细胞渗透到支架中，并促进营养物质的流动和废物的排除，这对于维持密集、健康的细胞群体至关重要[1][3].
表面化学同样重要。例如，羟基（-OH）基团有助于细菌纤维素（BC）的亲水性和保水性能，使其成为细胞培养环境的理想选择[3] . 具有高表面积与体积比的支架——通常见于多孔或纤维设计中——提供了更多的蛋白质吸附面积，直接支持细胞附着[1] .
然而，许多非动物生物材料缺乏天然的细胞结合位点，因此需要进行化学或结构改性。像整合RGD基序这样的技术通常用于在缺乏这些天然信号的地方增强细胞粘附。
在设计 可食用支架用于培养肉时，这些考虑尤为重要。
培养肉的可食用支架限制
在为培养肉设计支架时，必须在考虑一个独特限制的情况下优化润湿性：支架本身将被食用. 与生物医学应用不同，生物医学应用中的支架可以被移除，而培养肉的支架必须是可食用的。这限制了材料和处理的范围，仅限于食品级选项。许多用于生物医学研究的合成聚合物，如PCL和PLA, 不可食用，并且在最终产品可食用之前需要昂贵的去除过程 [1].
除了食品安全外，支架还必须符合消费者对质地、味道和外观的期望。大豆、小麦和玉米醇溶蛋白等植物蛋白价格实惠且被广泛接受，但它们具有过敏原风险，需要明确标识。热稳定性是另一个挑战；例如，鱼产品的支架需要复制鱼胶原蛋白的低热稳定性，以确保产品在烹饪时能正确剥落[2].
最后，可扩展性是一个关键障碍。在小规模实验中表现良好的材料在商业规模生产时也必须具有成本效益，并保持一致的润湿性。这种功能性和实用性之间的平衡对于培养肉作为一种可行产品的成功至关重要。
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润湿性如何影响细胞与支架的相互作用
润湿性和蛋白质吸附
当支架与培养基接触时，蛋白质会立即附着在其表面。支架的润湿性在决定哪些蛋白质附着、附着量以及它们的构象方面起着关键作用。CNR-ICMATE的研究员Michele Ferrari解释道：CNR-ICMATE, 解释道：
“生物材料植入生物体后发生的第一个事件是蛋白质吸附到其表面，这通过细胞粘附受体介导细胞粘附并向细胞提供信号。" - Michele Ferrari, 研究员, CNR-ICMATE [5]
这些吸附的蛋白质与整合素受体相互作用，启动粘附、迁移、增殖和分化等过程 [1]. 然而，如果润湿性没有优化，蛋白质可能会采用不合适的构象，破坏细胞信号传导——即使支架材料本身是生物相容的。例如，像海藻酸盐这样高度亲水的材料，尽管与细胞兼容，通常需要进行改性以实现有效的细胞附着 [1].
润湿性和蛋白质吸附之间的这种动态关系是理解不同培养肉细胞类型对不同 支架材料. 反应差异的关键。
培养肉细胞类型的润湿性范围
润湿性对蛋白质吸附的影响为各种培养肉细胞创造了不同的支架要求。
- 成肌细胞, 肌肉组织的前体细胞，在迁移和增殖过程中依赖于纤维连接蛋白和胶原蛋白等细胞外基质（ECM）蛋白。当这些细胞融合成多核肌管时，层粘连蛋白和IV型胶原蛋白提供进一步的结构支持[1]. 具有中等亲水性表面的支架是理想的，促进初始蛋白质吸附，同时支持后期分化。例如，果胶-豌豆蛋白复合支架显示出与标准组织培养板相当的成肌细胞增殖率[4].
- 脂肪细胞, 或脂肪细胞，需要能够容纳脂质积累的支架。纯亲水支架可能会阻碍这一过程，但将脂质整合到支架中，例如使用双凝胶系统，可以增强脂肪细胞的成熟，并有助于更好的风味特征[4].
- 成纤维细胞, 合成胶原蛋白并重塑ECM，在富含多糖的环境中茁壮成长，例如那些包含真菌成分的环境[1].
下表总结了适合每种细胞类型的支架特性：
| 细胞类型 | 首选支架特性 | 性能影响 |
|---|---|---|
| 肌母细胞 | 中等亲水性；富含蛋白质e.g. , 果胶 + 豌豆蛋白) | 支持与标准培养板相当的增殖 [4] |
| 脂肪细胞 | 通过大凝胶或油凝胶进行亲脂性整合 | 增强脂质积累并改善风味和口感 [4] |
| 成纤维细胞 | 富含多糖 (e.g. , 真菌分数) | 刺激胶原蛋白合成和ECM重塑[1] |
| 卫星细胞 | 2–12 kPa的刚度 | 模拟自然ECM刚度以促进扩展和分化[1][2] |
将2D表面数据应用于3D支架
大多数润湿性研究集中在平坦的2D表面，但将这些数据转化为用于培养肉的多孔3D支架带来了独特的挑战。在2D表面上，整合素主要在细胞的基底侧结合。相比之下，3D支架允许细胞-基质相互作用发生在整个细胞表面。
“在3D培养中，细胞-细胞和细胞-基质相互作用可以发生在细胞膜的整个表面。" - Claire Bomkamp, 高级科学家，The Good Food Institute [2]
这种差异对润湿性评估有重大影响。虽然二维表面使用假设表面光滑均匀的Young模型进行评估，但三维支架需要考虑表面粗糙度和孔隙内空气滞留可能性的Wenzel或Cassie–Baxter模型 [5]. 滞留空气，或称为气膜, 可以阻止介质渗透并防止细胞在支架内部定殖，即使材料在化学上是合适的 [5]. 在二维接触角测试中表现良好的支架在制成多孔三维结构时可能表现完全不同。
除了粘附几何形状外，三维支架还保持二维系统无法复制的化学和信号梯度。在二维培养中，培养基混合创造了一个均匀的环境，消除了引导细胞行为的局部浓度梯度。一个设计良好的三维支架可以保留这些梯度，更好地模拟 体内环境[2] . 这些差异突显了将二维润湿性数据应用于三维支架设计的重要性，直接影响材料选择和支架修改，以用于培养肉的应用。
测量和调整支架润湿性
测量润湿性的方法
准确评估润湿性对于改善细胞与支架的相互作用以及确保高质量的培养肉至关重要。对于多孔支架，间接测量技术提供了有价值的见解。衰减全反射傅里叶变换红外 (ATR-FTIR) 光谱检测 -OH 基团，确认亲水性[3] . 扫描电子显微镜 (SEM) 显示孔径和纤维网络密度，有助于确定液体是否可以渗透到支架内部[3] . 差示扫描量热法 (DSC) 评估与失水相关的吸热转变，提供支架持水能力的衡量标准[3] . 通过结合这些方法，研究人员可以全面评估支架的润湿性。
通过材料选择和处理优化润湿性
在测量润湿性之后，有几种方法可以改善细胞与支架的相互作用。将支架涂覆上纤维连接蛋白、层粘连蛋白或胶原蛋白IV等细胞外基质（ECM）蛋白，引入整合素结合位点，促进更好的细胞粘附。对于食品级支架，复合混合提供了另一种解决方案。例如，将细菌纤维素与卡拉胶和槐豆胶混合，已被证明可以增强成纤维细胞的附着，同时也模拟了肉的质地。 表面净化是另一个关键步骤。用0.3 M NaOH在80°C下清洗细菌纤维素支架，可以有效去除细菌残留物和细胞毒性污染物，在细胞播种前将pH中和至7.0。跳过此步骤可能会严重阻碍细胞生长，即使润湿性已被优化。
支架加工如何影响润湿性
加工方法在确定支架的润湿性方面起着重要作用。冷冻干燥 通常用于保持水凝胶基支架的多孔结构，这支持介质渗透和细胞迁移。然而，在冷冻干燥支架上测量的润湿性可能与再水化、准备培养的版本不匹配[3] . 为了获得可靠的结果，至关重要的是在其预期状态下评估最终支架的润湿性。
以下是关键技术及其与支架润湿性相关性的总结：
| 技术 | 评估的属性 | 与润湿性的相关性 |
|---|---|---|
| ATR-FTIR | 化学官能团 (e.g. , -OH) | 在分子水平上确认亲水性[3] |
| SEM | 表面孔隙率和纤维网络密度 | 表明多孔支架中的液体渗入能力[3] |
| DSC | 热转变和水分损失 | 评估支架的持水能力[3] |
Dr.David Kaplan: 使用组织工程技术培育培养肉
选择培养肉的支架材料
培养肉的支架材料：润湿性 & 细胞兼容性指南
匹配润湿性与细胞类型和产品格式
选择合适的支架材料润湿性目标受到培养细胞类型和预期产品格式的强烈影响。例如，骨骼肌细胞需要支架能够紧密复制天然肌肉组织的刚度 - 通常在2到12 kPa的范围内。这些支架还应提供结构线索，引导细胞形成多核肌纤维[1][2]. 如果支架表面过于疏水，它可能会阻碍整合素结合所需的蛋白质吸附。另一方面，过于亲水的表面可能无法保留足够的蛋白质以实现有效的细胞粘附。
脂肪细胞, 或脂肪细胞，有其自身的要求。它们可以在可食用微载体上培养，或与肌肉纤维一起整合到3D支架中，以模拟传统肉类90%肌肉和10%脂肪的典型组成。 [2].
产品形式也起着重要作用。对于结构化整块产品, ，支架必须支持营养和氧气在厚3D结构中的运输，同时保护细胞免受剪切应力的影响。相比之下，像汉堡或香肠这样的碎肉产品则允许更多的灵活性。在这里，肌肉和脂肪细胞可以分别在不同的支架或微载体上生长，然后在收获后加工时结合。 [1][2].
在培育鱼的情况下，热性能变得至关重要。鱼肌肉胶原蛋白的热稳定性低于哺乳动物胶原蛋白，这导致其在烹饪时呈现片状质地：
“培育鱼的支架需要通过自身具有较低的熔点或提供有利于适当胶原蛋白分泌的环境来重现这种较低的热稳定性。”[2]
这些不同的需求强调了仔细匹配支架材料与生物和产品特定需求的重要性。
比较支架材料类别
了解润湿性如何影响细胞粘附是评估不同支架材料类别的关键。
| 支架类别 | 润湿性概况 | 常见示例 |
|---|---|---|
| 多糖 | 高度亲水；高持水能力；缺乏细胞结合基序 | 海藻酸盐，纤维素，结冷胶[1][3] |
| 植物蛋白 | 中等亲水性；含有一些细胞结合位点；可能需要RGD功能化 | 大豆，玉米醇溶蛋白，小麦，豌豆[1] |
| 细菌纤维素 (BC) | 高纯度；类似ECM的纳米纤维网络；强水分保持能力；不含木质素或半纤维素 | Komagataeibacter xylinus衍生[3] |
| 合成聚合物 | 通常为疏水性；允许精确的机械控制；通常不可食用；需要表面处理 | PCL, PLA, PLGA [1] |
| 复合材料 | 可调节的润湿性；结合了生物相容性和支持粘附的化学性质 | 藻酸盐-聚合物混合物[1] |
像藻酸盐这样的多糖是安全且生物相容的，但缺乏锚定依赖性细胞（如肌肉细胞）所需的RGD基序来附着 [1]. 基于蛋白质的支架 - 来源于大豆、玉米醇溶蛋白或豌豆 - 提供了一些固有的细胞结合位点。然而，这些材料可能需要过敏原标签，这可能会使面向消费者的应用复杂化。细菌纤维素作为一个有前途的选择脱颖而出。其高纯度和类似ECM的结构显示了令人印象深刻的结果，例如根据2025年UCL研究，来自啤酒酿造废酵母的BC支架上有35.9% ± 2.5%的成纤维细胞附着率。[3]. 合成聚合物提供了优异的机械控制，但其不可食用的性质和需要去除步骤使其在大规模生产中不太实用。
使用Cellbase 来获取支架材料
将材料特性转化为可操作的采购策略往往说起来容易做起来难。脚手架材料供应商经常提供零散或不完整的信息，使得难以找到详细的数据，如接触角测量、ATR-FTIR谱图或适用于培养肉应用的持水能力值。
脚手架润湿性的关键要点
润湿性在脚手架性能中起着关键作用。如果支架过于疏水，它将难以有效吸附蛋白质。另一方面，过度的亲水性可能会使蛋白质难以保留。找到合适的平衡对于支持细胞附着、增殖和在三维支架内的分化至关重要。
表面化学是实现这种平衡的关键因素。功能基团，如羟基（-OH）基团，会影响材料的亲水性及其支持细胞粘附的能力。具有高持水能力的支架可以模拟细胞外基质的天然网络结构，而适当的孔隙率确保了营养物质的有效扩散和废物的清除。这些特性是相互关联的，因此仅关注润湿性而不考虑孔隙率或机械兼容性不会产生有效的支架 [3].
材料选择同样重要，尤其是对于可扩展的培养肉生产. 可持续的原料显示出强大的细胞附着能力，而无需昂贵的纯化过程，这通常与某些植物基材料相关。这突显了环保采购策略的潜力 [3].
不同的支架材料带来独特的优势和挑战。多糖是安全的，但缺乏细胞结合基序，蛋白质基材料自然提供粘附位点，而合成聚合物需要彻底评估食品安全性。这些因素对于指导材料选择和优化培养肉生产至关重要[3].
常见问题
我的支架应该选择什么接触角？
一个中等亲水性的支架表面 - 水接触角在20°到40°之间 - 是促进细胞附着的理想选择。这个平衡支持表面与细胞之间的有效互动。
接触角较低的表面表现出更大的亲水性，这改善了蛋白质吸附并增强了细胞粘附。然而，如果表面变得过于疏水（接触角超过90°），可能会阻碍这些过程。在这种情况下，可以通过等离子处理或添加亲水性功能基团来帮助调整表面特性。
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如何测量多孔3D支架的润湿性？
在用于培养肉类的多孔3D支架上测量润湿性存在一些独特的挑战。在标准光学接触角测量中，液体往往会渗入孔隙，从而导致结果不准确。为了解决这个问题，研究人员可能会使用3D打印平台来提升支架，以帮助减少假阳性读数。另一种方法是应用Cassie-Baxter接触角校正方法, ，该方法特别适用于多孔材料。对于需要专业支架的人，
哪些食品安全处理方法可以改善非动物支架上的细胞附着？
为了改善用于培养肉生产的非动物支架上的细胞附着，研究人员正在采用一系列食品安全技术：
- 加入植物性添加剂 : 使用生物活性化合物如胭脂树提取物来调整表面润湿性，从而增强细胞附着力。
- 使用具有特定基序的肽: 整合含有RGD序列或整合素识别模式的肽，以增强细胞粘附。
- 先进的支架制造: 采用静电纺丝和3D生物打印等技术设计支架，以模拟细胞外基质，为细胞生长提供最佳环境。
