Cellular modulation by the elasticity of biomaterials
Source abstract
Abstract
The behaviors and functions of individual cells, fundamental to the complexity of multicellular organisms, are regulated by their integrated response to a variety of environmental cues such as soluble factors, extracellular matrix (ECM)-mediated signals, and cell-cell interactions. Among these cues, the biomechanical feature of the ECM, represented by its elasticity, has been increasingly recognized as a dominating factor of cell fate. This review article aims to provide an overview of the general principles and recent advances in the field of matrix elasticity-dependent regulation of cellular activities and functions, the underlying biomechanical and molecular mechanisms, as well as pathophysiological implications. A discussion is also provided as to how material design strategies can be used to control the local microenvironment of stem cells to direct their lineage commitment and functions toward tissue development and regeneration.
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Research context
OpenAlex topics: Cellular Mechanics and Interactions · Bone Tissue Engineering Materials · 3D Printing in Biomedical Research
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Affiliations
Department of Orthopaedics
The First Affiliated Hospital
Orthopaedic Institute
Soochow University
Suzhou
Funding
National Natural Science Foundation of China
References (100+)
Show source-provided references
1. Guilak · Cell Stem Cell · 2009 · 5 · 1710.1016/j.stem.2009.06.016 ↗
2. Higuchi · J. Mater. Chem. B · 2015 · 3 · 803210.1039/C5TB01276G ↗
3. Higuchi · Chem. Rev. · 2013 · 113 · 329710.1021/cr300426x ↗
4. Kshitiz · Integr. Biol. · 2012 · 4 · 100810.1039/c2ib20080e ↗
5. Li · J. Biomech. · 2009 · 42 · 162210.1016/j.jbiomech.2009.04.033 ↗
6. Discher · Science · 2005 · 310 · 113910.1126/science.1116995 ↗
7. Huebsch · Nat. Mater. · 2010 · 9 · 51810.1038/nmat2732 ↗
8. Engler · Cell · 2006 · 126 · 67710.1016/j.cell.2006.06.044 ↗
9. Flanagan · NeuroReport · 2002 · 13 · 241110.1097/00001756-200212200-00007 ↗
10. Engler · J. Cell Biol. · 2004 · 166 · 87710.1083/jcb.200405004 ↗
11. Garcia · J. Dent. Res. · 2005 · 84 · 40710.1177/154405910508400502 ↗
12. Kong · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2005 · 102 · 430010.1073/pnas.0405873102 ↗
13. Emerman · Tissue Cell · 1979 · 11 · 10910.1016/0040-8166(79)90011-9 ↗
14. Pelham Jr. · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 1997 · 94 · 1366110.1073/pnas.94.25.13661 ↗
15. Deroanne · Cardiovasc. Res. · 2001 · 49 · 64710.1016/S0008-6363(00)00233-9 ↗
16. Wang · Biomaterials · 2010 · 31 · 114810.1016/j.biomaterials.2009.10.042 ↗
17. Park · Biomaterials · 2011 · 32 · 392110.1016/j.biomaterials.2011.02.019 ↗
18. Li · Biomaterials · 2013 · 34 · 761610.1016/j.biomaterials.2013.06.059 ↗
19. Gu · Biomaterials · 2012 · 33 · 667210.1016/j.biomaterials.2012.06.006 ↗
20. Gandavarapu · Biomater. Sci. · 2014 · 2 · 35210.1039/C3BM60149H ↗
21. Banks · Biomaterials · 2014 · 35 · 895110.1016/j.biomaterials.2014.07.012 ↗
22. Guo · J. Cell. Mol. Med. · 2015 · 19 · 158210.1111/jcmm.12533 ↗
23. Wells · Hepatology · 2008 · 47 · 139410.1002/hep.22193 ↗
24. Xin · J. Biomater. Sci., Polym. Ed. · 2004 · 15 · 122310.1163/1568562041753025 ↗
25. Lee · Chem. Rev. · 2001 · 101 · 186910.1021/cr000108x ↗
26. Elbjeirami · J. Biomed. Mater. Res., Part A · 2003 · 66 · 51310.1002/jbm.a.10021 ↗
27. DeVolder · Tissue Eng., Part A · 2012 · 18 · 164210.1089/ten.tea.2011.0547 ↗
28. Lv · Nature · 2010 · 465 · 6910.1038/nature09024 ↗
29. Wang · Acta Biomater. · 2012 · 8 · 51910.1016/j.actbio.2011.09.030 ↗
30. Cheng · J. Biomech. · 2011 · 44 · 85610.1016/j.jbiomech.2010.12.006 ↗
31. Trappmann · Nat. Mater. · 2012 · 11 · 64210.1038/nmat3339 ↗
32. Bryant · Biotechnol. Bioeng. · 2004 · 86 · 74710.1002/bit.20160 ↗
33. Wingate · Acta Biomater. · 2012 · 8 · 144010.1016/j.actbio.2011.12.032 ↗
34. Pek · Biomaterials · 2010 · 31 · 38510.1016/j.biomaterials.2009.09.057 ↗
35. Choi · J. Mater. Chem. · 2011 · 21 · 1432510.1039/c1jm12201k ↗
36. Levy-Mishali · Tissue Eng., Part A · 2009 · 15 · 93510.1089/ten.tea.2008.0111 ↗
37. Yang · Nat. Protoc. · 2011 · 6 · 18710.1038/nprot.2010.189 ↗
38. Yeung · Cell Motil. Cytoskeleton · 2005 · 60 · 2410.1002/cm.20041 ↗
39. Lo · Biophys. J. · 2000 · 79 · 14410.1016/S0006-3495(00)76279-5 ↗
40. Li · Sci. Rep. · 2014 · 4 · 391010.1038/srep03910 ↗
41. Engler · Biophys. J. · 2004 · 86 · 61710.1016/S0006-3495(04)74140-5 ↗
42. Hansen · Biomater. Sci. · 2014 · 2 · 74510.1039/C3BM60278H ↗
43. Qu · Acta Biomater. · 2015 · 16 · 6010.1016/j.actbio.2015.01.029 ↗
44. Sazonova · Matrix Biol. · 2015 · 41 · 3610.1016/j.matbio.2014.11.001 ↗
45. Mullen · Biophys. J. · 2015 · 108 · 160410.1016/j.bpj.2015.02.022 ↗
46. Solon · Biophys. J. · 2007 · 93 · 445310.1529/biophysj.106.101386 ↗
47. Robinson · J. Biomed. Mater. Res., Part A · 2012 · 100 · 135610.1002/jbm.a.34075 ↗
48. Bai · J. Mater. Chem. B · 2014 · 2 · 659010.1039/C4TB00878B ↗
49. Giannone · Cell · 2004 · 116 · 43110.1016/S0092-8674(04)00058-3 ↗
50. Choquet · Cell · 1997 · 88 · 3910.1016/S0092-8674(00)81856-5 ↗
51. Saez · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2007 · 104 · 828110.1073/pnas.0702259104 ↗
52. Wang · Am. J. Physiol.: Cell Physiol. · 2000 · 279 · C134510.1152/ajpcell.2000.279.5.C1345 ↗
53. Ulrich · Cancer Res. · 2009 · 69 · 416710.1158/0008-5472.CAN-08-4859 ↗
54. Schuh · Tissue Eng., Part A · 2010 · 16 · 128110.1089/ten.tea.2009.0614 ↗
55. Li · J. Biomed. Mater. Res., Part A · 2014 · 102 · 109210.1002/jbm.a.34774 ↗
56. Murphy · Nat. Mater. · 2014 · 13 · 54710.1038/nmat3937 ↗
57. Kang · Carbon · 2015 · 83 · 16210.1016/j.carbon.2014.11.029 ↗
58. Shih · J. Bone Miner. Res. · 2011 · 26 · 73010.1002/jbmr.278 ↗
59. Young · Biomaterials · 2013 · 34 · 858110.1016/j.biomaterials.2013.07.103 ↗
60. Saha · Biophys. J. · 2008 · 95 · 442610.1529/biophysj.108.132217 ↗
61. Gobaa · Integr. Biol. · 2015 · 7 · 113510.1039/C4IB00176A ↗
62. Geiger · Nat. Rev. Mol. Cell Biol. · 2009 · 10 · 2110.1038/nrm2593 ↗
63. Lv · Stem Cell Res. Ther. · 2015 · 6 · 10310.1186/s13287-015-0083-4 ↗
64. Hynes · Cell · 1992 · 69 · 1110.1016/0092-8674(92)90115-S ↗
65. Yu · Stem Cells Dev. · 2013 · 22 · 13610.1089/scd.2012.0160 ↗
66. Shih · J. Bone Miner. Res. · 2011 · 26 · 73010.1002/jbmr.278 ↗
67. Du · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2011 · 108 · 946610.1073/pnas.1106467108 ↗
68. Hirata · J. Cell Sci. · 2008 · 121 · 279510.1242/jcs.030320 ↗
69. Pajerowski · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2007 · 104 · 1561910.1073/pnas.0702576104 ↗
70. Swift · Science · 2013 · 341 · 124010410.1126/science.1240104 ↗
71. McBeath · Dev. Cell · 2004 · 6 · 48310.1016/S1534-5807(04)00075-9 ↗
72. Shih · J. Bone Miner. Res. · 2011 · 26 · 73010.1002/jbmr.278 ↗
73. Zouani · Biomaterials · 2013 · 34 · 215710.1016/j.biomaterials.2012.12.007 ↗
74. Kim · Biomaterials · 2014 · 35 · 834810.1016/j.biomaterials.2014.06.018 ↗
75. Mammoto · Am. J. Respir. Cell Mol. Biol. · 2013 · 49 · 100910.1165/rcmb.2013-0147OC ↗
76. Fan · Mol. Biol. Cell · 2007 · 18 · 108310.1091/mbc.E06-07-0602 ↗
77. Liedtke · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2003 · 100 · 1453110.1073/pnas.2235619100 ↗
78. Watt · Science · 2000 · 287 · 142710.1126/science.287.5457.1427 ↗
79. Hu · Biomaterials · 2011 · 32 · 897910.1016/j.biomaterials.2011.08.037 ↗
80. Kubicek · Langmuir · 2004 · 20 · 1155210.1021/la0487646 ↗
81. Gao · Stem Cells · 2010 · 28 · 56410.1002/stem.308 ↗
82. Zhang · Biomaterials · 2013 · 34 · 396210.1016/j.biomaterials.2013.02.029 ↗
83. Chen · Science · 1997 · 276 · 142510.1126/science.276.5317.1425 ↗
84. Kilian · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2010 · 107 · 487210.1073/pnas.0903269107 ↗
85. Lee · J. Mech. Behav. Biomed. Mater. · 2014 · 38 · 20910.1016/j.jmbbm.2014.01.009 ↗
86. Yim · Biomaterials · 2010 · 31 · 129910.1016/j.biomaterials.2009.10.037 ↗
87. Chen · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2014 · 6 · 1610610.1021/am504135b ↗
88. Allen · Mol. Biol. Cell · 2012 · 23 · 373110.1091/mbc.E12-03-0172 ↗
89. Tomasek · Nat. Rev. Mol. Cell Biol. · 2002 · 3 · 34910.1038/nrm809 ↗
90. Li · Hepatology · 2007 · 46 · 124610.1002/hep.21792 ↗
91. Tan · Biomaterials · 2014 · 35 · 529410.1016/j.biomaterials.2014.02.040 ↗
92. Griffith · Nat. Rev. Mol. Cell Biol. · 2006 · 7 · 21110.1038/nrm1858 ↗
93. Jiang · Acta Biomater. · 2015 · 19 · 7610.1016/j.actbio.2015.03.018 ↗
94. Kraning-Rush · Cell Adh. Migr. · 2012 · 6 · 27410.4161/cam.21076 ↗
95. Parameswaran · PLoS Comput. Biol. · 2011 · 7 · e100112510.1371/journal.pcbi.1001125 ↗
96. Pierard · Expert Opin. Med. Diagn. · 2013 · 7 · 11910.1517/17530059.2013.753877 ↗
97. Huynh · Sci. Transl. Med. · 2011 · 3 · 11210.1126/scitranslmed.3002761 ↗
98. Levental · Cell · 2009 · 139 · 89110.1016/j.cell.2009.10.027 ↗
99. Klein · Curr. Biol. · 2009 · 19 · 151110.1016/j.cub.2009.07.069 ↗
100. Zhou · Eur. Radiol. · 2014 · 24 · 165910.1007/s00330-014-3152-7 ↗