Significance Despite a large body of work, little is known about the origin or underlying mechanisms of how cells interact with surface topographic patterns, which has resulted in a primarily phenomenological approach in studying cell–nanotopography interactions. This study illustrates that membrane curvatures induced by nanoscale surface topography can serve as a direct biochemical signal to activate curvature-sensing protein and regulate actin polymerization and mechanotransduction in the intracellular space.

The development of biomaterials capable of regulating cellular processes and guiding cell fate decisions has broad implications in tissue engineering, regenerative medicine, and cell-based assays for drug development and disease modeling. Recent studies have shown that three-dimensional (3D) nanoscale physical cues such as nanotopography can modulate various cellular processes like adhesion and endocytosis by inducing nanoscale curvature on the plasma and nuclear membranes. Two-dimensional (2D) biochemical cues such as protein micropatterns can also regulate cell function and fate by controlling cellular geometries. Development of biomaterials with precise control over nanoscale physical and biochemical cues can significantly influence programming cell function and fate. In this study, we utilized a laser-assisted micropatterning technique to manipulate the 2D architectures of cells on 3D nanopillar platforms. We performed a comprehensive analysis of cellular and nuclear morphology and deformation on both nanopillar and flat substrates. Our findings demonstrate the precise engineering of single cell architectures through 2D micropatterning on nanopillar platforms. We show that the coupling between the nuclear and cell shape is disrupted on nanopillar surfaces compared to flat surfaces. Furthermore, our results suggest that cell elongation on nanopillars enhances nanopillar-induced endocytosis. We believe our platform serves as a versatile tool for further explorations into programming cell function and fate through combined physical cues that create nanoscale curvature on cell membranes and biochemical cues that control the geometry of the cell.

In this investigation, we report the synthesis of a novel core–shell structured organic composite piezoelectric material through the application of coaxial electrospinning technology. This approach not only markedly enhances the piezoelectric properties but also preserves the inherent flexibility of the underlying piezoelectric polymer. Specifically, the incorporation of a non-piezoelectric polymer core (PC) within the PVDF nanofibers resulted in an increase in the piezoelectric coefficient (d33) from 8 pC/N for pristine PVDF to 11 pC/N, reflecting an approximate 37.5% enhancement. Our findings represent a substantial advancement in the field of all-organic piezoelectric composite material development.

The transformation of environmentally benign waste energy into functional electricity holds profound implications for advancements in human progress. Herein, we detail the synthesis of tubular nanofibers featuring a hollow architecture through an innovative combination of sol-gel processing and electrospinning techniques, followed by surface modification with dopamine. These engineered PZT hollow nanotubes, upon integration into PVDF piezoelectric films, serve as potent reinforcing agents that amplify the piezoelectric active phase within the PVDF matrix. The introduction of these hollow PZT nanostructures alters the polarization electric field distribution, thereby augmenting the polarization dynamics of PVDF and significantly enhancing the piezoelectric performance of the resultant PVDF/PZT composite films. Our novel nano-generator exhibits an exceptional balance between a high piezoelectric coefficient, superior output characteristics, and commendable stability. Notably, the piezoelectric constant (d33) of Neat PVDF films experiences a substantial elevation from 9 pC·N-1 to 20 pC·N-1, representing an impressive enhancement of approximately 122%. Furthermore, the power density achieves a value of 0.54 μW·cm-2. This study introduces an effective approach to augment the productive output capability of composite nanogenerators, paving the way for sustainable energy harvesting technologies.

Abstract Both substrate stiffness and surface topography regulate cell behavior through mechanotransduction signaling pathways. Such intertwined effects suggest that engineered surface topographies might substitute or cancel the effects of substrate stiffness in biomedical applications. However, the mechanisms by which cells recognize topographical features are not fully understood. Here we demonstrate that the presence of nanotopography drastically alters cell behavior such that neurons and stem cells cultured on rigid glass substrates behave as if they were on soft hydrogels. We further show that rigid nanotopography resembles the effect of soft hydrogels in reducing cell stiffness and membrane tension as measured by atomic force microscopy. Finally, we demonstrate that nanotopography reduces focal adhesions and cell stiffness by enhancing the endocytosis and the subsequent removal of integrin receptors. This mechanistic understanding will support the rational design of nanotopography that directs cells on rigid materials to behave as if they were on soft ones. TOC graphic

Abstract Drug-induced cardiotoxicity arises primarily when a compound alters the electrophysiological properties of cardiomyocytes. Features of intracellular action potentials (iAPs) are powerful biomarkers that predict proarrhythmic risks. However, the conventional patch clamp techniques for measuring iAPs are either laborious and low throughput or not suitable for measuring electrically connected cardiomyocytes. In the last decade, a number of vertical nanoelectrodes have been demonstrated to achieve parallel and minimally-invasive iAP recordings. Nanoelectrodes show great promise, but the large variability in success rate, signal strength, and the low throughput of device fabrication have hindered them from being broadly adopted for proarrhythmia drug assessment. In this work, we developed vertically-aligned and semi-hollow nanocrown electrodes that are mechanically robust and made through a scalable fabrication process. Nanocrown electrodes achieve >99% success rates in obtaining intracellular access through electroporation, allowing reliable and simultaneous iAP recordings from up to 57 human pluripotent stem-cell-derived cardiomyocytes (hPSC-CMs). The accuracy of nanocrown electrode recordings is validated by simultaneous patch clamp recording from the same cell. Nanocrown electrodes enable prolonged iAP recording for continual monitoring of the same cells upon the sequential addition of four to five incremental drug doses. In this way, the dose-response data is self-referencing, which avoids the cell-to-cell variations inherent to hPSC-CMs. We are hopeful that this technology development is a step towards establishing an iAP screening assay for preclinical evaluation of drug-induced arrhythmogenicity.

Determining protein levels in each tissue and how they compare with RNA levels is important for understanding human biology and disease as well as regulatory processes that control protein levels. We quantified the relative protein levels from 12,627 genes across 32 normal human tissue types prepared by the GTEx project. Known and new tissue specific or enriched proteins (5,499) were identified and compared to transcriptome data. Many ubiquitous transcripts are found to encode highly tissue specific proteins. Discordance in the sites of RNA expression and protein detection also revealed potential sites of synthesis and action of protein signaling molecules. Overall, these results provide an extraordinary resource, and demonstrate that understanding protein levels can provide insights into metabolism, regulation, secretome, and human diseases.Summary Quantitative proteome study of 32 human tissues and integrated analysis with transcriptome data revealed that understanding protein levels could provide in-depth knowledge to post transcriptional or translational regulations, human metabolism, secretome, and diseases.

Abstract Mammalian cells adhere to the extracellular matrix (ECM) and sense mechanical cues through integrin-mediated adhesions 1, 2 . Focal adhesions and related structures are the primary architectures that transmit forces between the ECM and the actin cytoskeleton. Although focal adhesions are abundant when cells are cultured on rigid substrates, they are sparse in soft environments that cannot support high mechanical tensions 3 . Here, we report a new class of integrin-mediated adhesions, curved adhesions, whose formation is regulated by membrane curvature instead of mechanical tension. In soft matrices made of protein fibres, curved adhesions are induced by membrane curvatures imposed by the fibre geometry. Curved adhesions are mediated by integrin ɑVβ5 and are molecularly distinct from focal adhesions and clathrin lattices. The molecular mechanism involves a previously unknown interaction between integrin β5 and a curvature-sensing protein FCHo2. We find that curved adhesions are prevalent in physiologically relevant environments. Disruption of curved adhesions by knocking down integrin β5 or FCHo2 abolishes the migration of multiple cancer cell lines in 3D matrices. These findings provide a mechanism of cell anchorage to natural protein fibres that are too soft to support the formation of focal adhesions. Given their functional importance for 3D cell migration, curved adhesions may serve as a therapeutic target for future development.

ABSTRACT Platforms with nanoscale topography have recently become powerful tools in cellular biophysics and bioengineering. Recent studies have shown that nanotopography affects various cellular processes like adhesion and endocytosis, as well as physical properties such as cell shape. To engineer nanopillars more effectively for biomedical applications, it is crucial to gain better control and understanding of how nanopillars affect cell and nuclear physical properties, such as shape and spreading area, and impact cellular processes like endocytosis and adhesion. In this study, we utilized a laser-assisted micropatterning technique to manipulate the 2D architectures of cells on 3D nanopillar platforms. We performed a comprehensive analysis of cellular and nuclear morphology and deformation on both nanopillar and flat substrates. Our findings demonstrate precise engineering of cellular architectures through 2D micropatterning on nanopillar platforms. We show that the coupling between nuclear and cell shape is disrupted on nanopillar surfaces compared to flat surfaces. Furthermore, we discovered that cell elongation on nanopillars enhances nanopillar-induced endocytosis. These results have significant implications for various biomedical applications of nanopillars, including drug delivery, drug screening, intracellular electrophysiology, and biosensing. We believe our platform serves as a versatile tool for further explorations, facilitating investigations into the interplay between cell physical properties and alterations in cellular processes. Graphical Abstract