Piezoresistive sensors are among the earliest micromachined silicon devices. The need for smaller, less expensive, higher performance sensors helped drive early micromachining technology, a precursor to microsystems or microelectromechanical systems (MEMS). The effect of stress on doped silicon and germanium has been known since the work of Smith at Bell Laboratories in 1954. Since then, researchers have extensively reported on microscale, piezoresistive strain gauges, pressure sensors, accelerometers, and cantilever force/displacement sensors, including many commercially successful devices. In this paper, we review the history of piezoresistance, its physics and related fabrication techniques. We also discuss electrical noise in piezoresistors, device examples and design considerations, and alternative materials. This paper provides a comprehensive overview of integrated piezoresistor technology with an introduction to the physics of piezoresistivity, process and material selection and design guidance useful to researchers and device engineers.

Familial hypertrophic cardiomyopathy (HCM) is a prevalent hereditary cardiac disorder linked to arrhythmia and sudden cardiac death. While the causes of HCM have been identified as genetic mutations in the cardiac sarcomere, the pathways by which sarcomeric mutations engender myocyte hypertrophy and electrophysiological abnormalities are not understood. To elucidate the mechanisms underlying HCM development, we generated patient-specific induced pluripotent stem cell cardiomyocytes (iPSC-CMs) from a ten-member family cohort carrying a hereditary HCM missense mutation (Arg663His) in the MYH7 gene. Diseased iPSC-CMs recapitulated numerous aspects of the HCM phenotype including cellular enlargement and contractile arrhythmia at the single-cell level. Calcium (Ca2+) imaging indicated dysregulation of Ca2+ cycling and elevation in intracellular Ca2+ ([Ca2+]i) are central mechanisms for disease pathogenesis. Pharmacological restoration of Ca2+ homeostasis prevented development of hypertrophy and electrophysiological irregularities. We anticipate that these findings will help elucidate the mechanisms underlying HCM development and identify novel therapies for the disease.

Classical cadherins are transmembrane proteins at the core of intercellular adhesion complexes in cohesive metazoan tissues. The extracellular domain of classical cadherins forms intercellular bonds with cadherins on neighboring cells, whereas the cytoplasmic domain recruits catenins, which in turn associate with additional cytoskeleton binding and regulatory proteins. Cadherin/catenin complexes are hypothesized to play a role in the transduction of mechanical forces that shape cells and tissues during development, regeneration, and disease. Whether mechanical forces are transduced directly through cadherins is unknown. To address this question, we used a Förster resonance energy transfer (FRET)-based molecular tension sensor to test the origin and magnitude of tensile forces transmitted through the cytoplasmic domain of E-cadherin in epithelial cells. We show that the actomyosin cytoskeleton exerts pN-tensile force on E-cadherin, and that this tension requires the catenin-binding domain of E-cadherin and αE-catenin. Surprisingly, the actomyosin cytoskeleton constitutively exerts tension on E-cadherin at the plasma membrane regardless of whether or not E-cadherin is recruited to cell–cell contacts, although tension is further increased at cell–cell contacts when adhering cells are stretched. Our findings thus point to a constitutive role of E-cadherin in transducing mechanical forces between the actomyosin cytoskeleton and the plasma membrane, not only at cell–cell junctions but throughout the cell surface.

Stretching cell sheets promotes proliferation Mechanical strain regulates the development, organization, and function of multicellular tissues. But how? Cadherins mechanically couple neighboring epithelial cells through extracellular interactions and sequester the transcription factors β-catenin and Yap1. To find out more, Benham-Pyle et al. stretched epithelial cell sheets. This mechanical strain induced rapid cell cycle reentry, DNA synthesis by sequential nuclear accumulation, and transcriptional activation of Yap1 and β-catenin. Thus, cell-cell junctions are mechanically responsive structural scaffolds providing signaling centers that coordinate transcriptional responses to externally applied force. Science , this issue p. 1024

Significance Human cardiomyocytes differentiated from pluripotent stem cells (hPSC-CMs) have potential as in vitro models of cardiac health and disease but differ from mature cardiomyocytes. In single live engineered hPSC-CMs with physiological shapes, we assayed the mechanical output and activity of sarcomeres and myofibrils in a nondestructive, noninvasive manner. Substrates with physiological stiffness improved contractile activity of patterned hPSC-CMs, as well as calcium flow, mitochondrial organization, electrophysiology, and transverse-tubule formation. The mechanical output and activity of sarcomeres and myofibrils varied as a function of mechanical cues and disrupted cell tension. This study establishes a high-throughput platform for modeling single-cell cardiac contractile activity and yields insight into environmental factors that drive maturation and sarcomere function in hPSC-CMs.

Adjusting the acrylamide monomer and cross-linker content in polyacrylamide gels controls the hydrogel stiffness, yet the reported elastic modulus for the same formulations varies widely and these discrepancies are frequently attributed to different measurement methods. Few studies exist that examine stiffness trends across monomer and cross-linker concentrations using the same characterization platform. In this work, we use Atomic Force Microscopy and analyze force-distance curves to derive the elastic modulus of polyacrylamide hydrogels. We find that gel elastic modulus increases with increasing cross-link concentration until an inflection point, after which gel stiffness decreases with increasing cross-linking. This behavior arises because of the formation of highly cross-linked clusters, which add inhomogeneity and heterogeneity to the network structure, causing the global network to soften even under high cross-linking conditions. We identify these inflection points for three different total polymer formulations. When we alter gelation kinetics by using a low polymerization temperature, we find that gels are stiffer when polymerized at 4 °C compared to room temperature, indicating a complex relationship between gel structure, elasticity, and network formation. We also investigate how gel stiffness changes during storage over 10 days and find that specific gel formulations undergo significant stiffening (1.55 ± 0.13), which may be explained by differences in gel swelling resulting from initial polymerization parameters. Taken together, our study emphasizes the importance of polyacrylamide formulation, polymerization temperature, gelation time, and storage duration in defining the structural and mechanical properties of the polyacrylamide hydrogels.

Mechanotransduction - how cells sense physical forces and translate them into biochemical and biological responses - is a vibrant and rapidly-progressing field, and is important for a broad range of biological phenomena. This forum explores the role of mechanotransduction in a variety of cellular activities and highlights intriguing questions that deserve further attention.

Abstract Cardiomyocytes derived from human induced pluripotent stem cells (hiPSC-CMs) are powerful in-vitro models to study the mechanisms underlying cardiomyopathies and cardiotoxicity. To understand how cellular mechanisms affect the heart, it is crucial to quantify the contractile function in single hiPSC-CMs over time, however, such measurements remain demanding and low-throughput, and are too seldom considered. We developed an open-access, versatile, streamlined, and highly automated pipeline to address these challenges and enable quantitative tracking of the contractile dynamics of single hiPSC- CMs over time: ConTraX . Three interlocking software modules enable: (i) parameter-based localization and selection of single hiPSC-CMs; (ii) automated video acquisition of >200 cells/hour; and (iii) streamlined measurements of the contractile parameters via traction force microscopy. Using ConTraX , we analyzed >2,753 hiPSC-CMs over time under orthogonal experimental conditions in terms of culture media and substrate stiffnesses. Using undirected high-dimensional clustering, we dissected the complex diversity of contractile phenotypes in hiPSC-CM populations and revealed converging maturation patterns. Our modular ConTraX pipeline empowers biologists with a potent quantitative analytic tool applicable to the development of cardiac therapies.

A bstract Introduction Mechanical forces regulate many facets of cell and tissue biology. Studying the effects of forces on cells requires real-time observations of single- and multi-cell dynamics in tissue models during controlled external mechanical input. Many of the existing devices used to conduct these studies are costly and complicated to fabricate, which reduces the availability of these devices to many laboratories. Methods We show how to fabricate a simple, low-cost, uniaxial stretching device, with readily available materials and instruments that is compatible with high-resolution time-lapse microscopy of adherent cell monolayers. In addition, we show how to construct a pressure controller that induces a repeatable degree of stretch in monolayers, as well as a custom MATLAB code to quantify individual cell strains. Results As an application note using this device, we show that uniaxial stretch slows down cellular movements in a mammalian epithelial monolayer in a cell density-dependent manner. We demonstrate that the effect on cell movement involves the relocalization of myosin downstream of Rho-associated protein kinase (ROCK). Conclusions This mechanical device provides a platform for broader involvement of engineers and biologists in this important area of cell and tissue biology. We used this device to demonstrate the mechanical regulation of collective cell movements in epithelia.