Dynamic curved interfaces are fundamental and ubiquitous structures in biological systems. However, replicating the structure and function associated with these interfaces for mechanobiology and drug screening is challenging. Here, we develop a dynamic curvature-enabled microfluidic organ chip of two fluid–solid dynamic curved interfaces. One interface effectively integrates adjustable biomechanics, and the other controls drug release with open microfluidics. The fluid–solid interface sensed by the cells can modulate the residual stress, stiffness, strain of the solid phase, and the flow shear stress of the fluid phase. Using the chip, we investigate the mechanotransductive responses of endothelial and epithelial cells, including Piezo1, Ca2+, and YAP, and reveal that the response of the endothelium to combined dynamic cyclic strain and flow shear stress is different from separate stimulation and also disparate from the epithelium. Furthermore, direct and high-efficiency drug release to cells is realized by constructing the other fluid–solid interface on the back side of cells, where drugs are encapsulated within cross-linked alginate hydrogel in the open microfluidic channel. Then, we replicate object-specific and location-specific biomechanical environments within carotid bifurcation and prove the effectiveness of drug delivery. Our design exemplifies dynamic curved biological interfaces with controlled mechanical environments and holds potential for patient-specific medicine.

1.
D.
Baptista
,
L.
Teixeira
,
C.
van Blitterswijk
,
S.
Giselbrecht
, and
R.
Truckenmuller
,
Trends Biotechnol.
37
(
8
),
838
854
(
2019
).
2.
C.
Hahn
and
M. A.
Schwartz
,
Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
10
(
1
),
53
62
(
2009
).
3.
M. D.
Basson
,
Digestion
68
(
4
),
217
225
(
2003
).
4.
A. N.
Natali
,
E. L.
Carniel
,
C. G.
Fontanella
,
A.
Frigo
,
S.
Todros
,
A.
Rubini
,
G. M.
De Benedictis
,
M. A.
Cerruto
, and
W.
Artibani
,
Biomech. Model. Mechanobiol.
16
(
2
),
439
447
(
2017
).
5.
C.
Wang
,
S.
Wang
,
H.
Pan
,
L.
Min
,
H.
Zheng
,
H.
Zhu
, and
X.
Hou
,
Sci. Adv.
6
(
36
),
eabb4700
(
2020
).
6.
P. A.
Janmey
,
D. A.
Fletcher
, and
C. A.
Reinhart-King
,
Physiol. Rev.
100
(
2
),
695
724
(
2020
).
7.
Y. C.
Fung
,
Ann. Biomed. Eng.
19
,
237
249
(
1991
).
8.
C.
Souilhol
,
J.
Serbanovic-Canic
,
M.
Fragiadaki
,
T. J.
Chico
,
V.
Ridger
,
H.
Roddie
, and
P. C.
Evans
,
Nat. Rev. Cardiol.
17
(
1
),
52
63
(
2020
).
9.
J. D.
Humphrey
and
M. A.
Schwartz
,
Annu. Rev. Biomed. Eng.
23
,
1
27
(
2021
).
10.
B.
Schamberger
,
R.
Ziege
,
K.
Anselme
,
M. B.
Amar
,
M.
Bykowski
,
A. P. G.
Castro
,
A.
Cipitria
,
R. A.
Coles
,
R.
Dimova
,
M.
Eder
et al,
Adv. Mater.
35
(
13
),
e2206110
(
2023
).
11.
H. G.
Yevick
,
G.
Duclos
,
I.
Bonnet
, and
P.
Silberzan
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
112
(
19
),
5944
5949
(
2015
).
12.
N. D.
Bade
,
T.
Xu
,
R. d.
Kamien
,
R. K.
Assoian
, and
K. J.
Stebe
,
Biophys. J
114
(
6
),
1467
1476
(
2018
).
13.
L.
Pieuchot
,
J.
Marteau
,
A.
Guignandon
,
T.
Dos Santos
,
I.
Brigaud
,
P. F.
Chauvy
,
T.
Cloatre
,
A.
Ponche
,
T.
Petithory
,
P.
Rougerie
et al,
Nat. Commun.
9
(
1
),
3995
(
2018
).
14.
H. A.
Messal
,
S.
Alt
,
R. M. M.
Ferreira
,
C.
Gribben
,
V. M.
Wang
,
C. G.
Cotoi
,
G.
Salbreux
, and
A.
Behrens
,
Nature
566
(
7742
),
126
130
(
2019
).
15.
M.
Luciano
,
S.-L.
Xue
,
W. H.
De Vos
,
L.
Redondo-Morata
,
M.
Surin
,
F.
Lafont
,
E.
Hannezo
, and
S.
Gabriele
,
Nat. Phys.
17
(
12
),
1382
1390
(
2021
).
16.
W.
Tang
,
A.
Das
,
A. F.
Pegoraro
,
Y. L.
Han
,
J.
Huang
,
D. A.
Roberts
,
H.
Yang
,
J. J.
Fredberg
,
D. N.
Kotton
,
D.
Bi
et al,
Nat. Phys.
18
(
11
),
1371
1378
(
2022
).
17.
S. J. P.
Callens
,
R. J. C.
Uyttendaele
,
L. E.
Fratila-Apachitei
, and
A. A.
Zadpoor
,
Biomaterials
232
,
119739
(
2020
).
18.
D.
Huh
,
B. D.
Matthews
,
A.
Mammoto
,
M.
Montoya-Zavala
,
H. Y.
Hsin
, and
D. E.
Ingber
,
Science
328
(
5986
),
1662
1668
(
2010
).
19.
H. J.
Kim
and
D. E.
Ingber
,
Integr. Biol.
5
(
9
),
1130
1140
(
2013
).
20.
W.
Zheng
,
B.
Jiang
,
D.
Wang
,
W.
Zhang
,
Z.
Wang
, and
X.
Jiang
,
Lab Chip
12
(
18
),
3441
3450
(
2012
).
21.
J.
Ribas
,
Y. S.
Zhang
,
P. R.
Pitrez
,
J.
Leijten
,
M.
Miscuglio
,
J.
Rouwkema
,
M. R.
Dokmeci
,
X.
Nissan
,
L.
Ferreira
, and
A.
Khademhosseini
,
Small
13
(
15
),
1603737
(
2017
).
22.
M.
Werner
,
A.
Petersen
,
N. A.
Kurniawan
, and
C. V. C.
Bouten
,
Adv. Biosyst.
3
(
10
),
e1900080
(
2019
).
23.
C.
Mandrycky
,
B.
Hadland
, and
Y.
Zheng
,
Sci. Adv.
6
(
38
),
eabb3629
(
2019
).
24.
N. D.
Bade
,
R. D.
Kamien
,
R. K.
Assoian
, and
K. J.
Stebe
,
Sci. Adv.
3
(
9
),
e1700150
(
2017
).
25.
Q.
Pi
,
S.
Maharjan
,
X.
Yan
,
X.
Liu
,
B.
Singh
,
A. M.
van Genderen
,
F.
Robledo-Padilla
,
R.
Parra-Saldivar
,
N.
Hu
,
W.
Jia
et al,
Adv. Mater.
30
(
43
),
e1706913
(
2018
).
26.
C. A.
Dessalles
,
C.
Ramón-Lozano
,
A.
Babataheri
, and
A. I.
Barakat
,
Biofabrication
14
(
1
),
015003
(
2021
).
27.
R. A.
Gray
and
P.
Pathmanathan
,
J. Cardiovasc. Transl. Res.
11
(
2
),
80
88
(
2018
).
28.
I. A.
Tamargo
,
K. I.
Baek
,
Y.
Kim
,
C.
Park
, and
H.
Jo
,
Nat. Rev. Cardiol.
20
(
11
),
738
753
(
2023
).
29.
B.
Zhang
,
A.
Korolj
,
B. F. L.
Lai
, and
M.
Radisic
,
Nat. Rev. Mater.
3
(
8
),
257
278
(
2018
).
30.
Y. S.
Zhang
,
J.
Aleman
,
S. R.
Shin
,
T.
Kilic
,
D.
Kim
,
S. A.
Mousavi Shaegh
,
S.
Massa
,
R.
Riahi
,
S.
Chae
,
N.
Hu
et al,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
114
(
12
),
E2293
E2302
(
2017
).
31.
M.
Wang
,
H.
Meng
,
D.
Wang
,
Y.
Yin
,
P.
Stroeve
,
Y.
Zhang
,
Z.
Sheng
,
B.
Chen
,
K.
Zhan
, and
X.
Hou
,
Adv. Mater.
31
(
11
),
e1805130
(
2019
).
32.
Y. Y.
Chen
,
A. M.
Syed
,
P.
MacMillan
,
J. V.
Rocheleau
, and
W. C. W.
Chan
,
Adv. Mater.
32
(
24
),
e1906274
(
2020
).
33.
M. W.
Toepke
and
D. J.
Beebe
,
Lab Chip
6
(
12
),
1484
1486
(
2006
).
34.
J.
Grant
,
A.
Ozkan
,
C.
Oh
,
G.
Mahajan
,
R.
Prantil-Baun
, and
D. E.
Ingber
,
Lab Chip
21
(
18
),
3509
3519
(
2021
).
35.
G. V.
Kaigala
,
R. D.
Lovchik
, and
E.
Delamarche
,
Angew. Chem., Int. Ed. Engl.
51
(
45
),
11224
11240
(
2012
).
36.
C.
Li
,
Z.
Hite
,
J. W.
Warrick
,
J.
Li
,
S. H.
Geller
,
V. G.
Trantow
,
M. N.
McClean
, and
D. J.
Beebe
,
Sci. Adv.
6
(
16
),
eaay9919
(
2020
).
37.
C.
Soitu
,
A.
Feuerborn
,
C.
Deroy
,
A. A.
Castrejón-Pita
,
P. R.
Cook
, and
E. J.
Walsh
,
Sci. Adv.
5
(
6
),
eaav8002
(
2019
).
38.
E. J.
Walsh
,
A.
Feuerborn
,
J. H. R.
Wheeler
,
A. N.
Tan
,
W. M.
Durham
,
K. R.
Foster
, and
P. R.
Cook
,
Nat. Commun.
8
(
1
),
816
(
2017
).
39.
P.
Zhao
,
X.
Liu
,
X.
Zhang
,
L.
Wang
,
H.
Su
,
L.
Wang
,
N.
He
,
D.
Zhang
,
Z.
Li
,
H.
Kang
et al,
Lab Chip
21
(
2
),
421
434
(
2021
).
40.
J. J.
Vlassak
and
W. D.
Nix
,
J. Mater. Res.
7
(
12
),
3242
3249
(
1992
).
41.
H.
Bruus
,
Theoretical Microfluidics
(
Oxford University Press
,
2007
).
42.
J.
Li
,
B.
Hou
,
S.
Tumova
,
K.
Muraki
,
A.
Bruns
,
M. J.
Ludlow
,
A.
Sedo
,
A. J.
Hyman
,
L.
McKeown
,
R. S.
Young
et al,
Nature
515
(
7526
),
279
282
(
2014
).
43.
M. J.
Berridge
,
M. D.
Bootman
, and
P.
Lipp
,
Nature
395
(
6703
),
645
648
(
1998
).
44.
T.
Panciera
,
L.
Azzolin
,
M.
Cordenonsi
, and
S.
Piccolo
,
Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
18
(
12
),
758
770
(
2017
).
45.
A. J.
Wong
,
T. D.
Pollard
, and
I. M.
Herman
,
Science
219
(
4586
),
867
869
(
1983
).
46.
C. A.
Dessalles
,
C.
Leclech
,
A.
Castagnino
, and
A. I.
Barakat
,
Commun. Biol.
4
(
1
),
764
(
2021
).
47.
H.
Nakajima
,
K.
Yamamoto
,
S.
Agarwala
,
K.
Terai
,
H.
Fukui
,
S.
Fukuhara
,
K.
Ando
,
T.
Miyazaki
,
Y.
Yokota
,
E.
Schmelzer
et al,
Dev. Cell
40
(
6
),
523
536
(
2017
).
48.
B. W.
Benham-Pyle
,
B. L.
Pruitt
, and
W. J.
Nelson
,
Science
348
(
6238
),
1024
1027
(
2015
).
49.
Y.
Qiu
and
J. M.
Tarbell
,
J. Vasc. Res.
37
(
3
),
147
157
(
2000
).
50.
J. J.
Chiu
and
S.
Chien
,
Physiol. Rev.
91
(
1
),
327
387
(
2011
).
51.
D.
Meza
,
D. A.
Rubenstein
, and
W.
Yin
,
J. Biomech. Eng.
140
(
12
),
121006
(
2018
).
52.
A.
Elosegui-Artola
,
I.
Andreu
,
A. E.
Beedle
,
A.
Lezamiz
,
M.
Uroz
,
A. J.
Kosmalska
,
R.
Oria
,
J. Z.
Kechagia
,
P.
Rico-Lastres
, and
A.-L.
Le Roux
,
Cell
171
(
6
),
1397
1410. e1314
(
2017
).
53.
I.
Andreu
,
I.
Granero-Moya
,
N. R.
Chahare1
,
K.
Clein
,
M. M.
Jordàn
,
A. E. M.
Beedle
,
A.
Elosegui-Artola
,
J. F.
Abenza
,
L.
Rossetti
,
X.
Trepat
et al,
Nat. Cell Biol.
24
(
6
),
896
905
(
2022
).
54.
L.
Martin
,
C.
Vicario
,
A.
Castells-Garcia
,
M.
Lakadamyali
,
M. V.
Neguembor
, and
M. P.
Cosma
,
STAR Protoc.
2
(
4
),
100865
(
2021
).
55.
A. D.
Stephens
,
E. J.
Banigan
,
S. A.
Adam
,
R. D.
Goldman
, and
J. F.
Marko
,
Mol. Biol. Cell
28
(
14
),
1984
1996
(
2017
).
56.
M. M.
Nava
,
Y. A.
Miroshnikova
,
L. C.
Biggs
,
D. B.
Whitefield
,
F.
Metge
,
J.
Boucas
,
H.
Vihinen
,
E.
Jokitalo
,
X.
Li
, and
J. M. G.
Arcos
,
Cell
181
(
4
),
800
817. e822
(
2020
).
57.
Y. A.
Miroshnikova
,
S.
Manet
,
X.
Li
,
S. A.
Wickstrom
,
E.
Faurobert
, and
C.
Albiges-Rizo
,
Mol. Biol. Cell
32
(
18
),
1724
1736
(
2021
).
58.
W. J.
Polacheck
,
R.
Li
,
S. G.
Uzel
, and
R. D.
Kamm
,
Lab Chip
13
(
12
),
2252
2267
(
2013
).
59.
M.
Vatankhah-Varnosfaderani
,
W. F. M.
Daniel
,
M. H.
Everhart
,
A. A.
Pandya
,
H.
Liang
,
K.
Matyjaszewski
,
A. V.
Dobrynin
, and
S. S.
Sheiko
,
Nature
549
(
7673
),
497
501
(
2017
).
60.
P.
Damman
,
S.
Gabriele
,
S.
Coppee
,
S.
Desprez
,
D.
Villers
,
T.
Vilmin
,
E.
Raphael
,
M.
Hamieh
,
S. A.
Akhrass
, and
G.
Reiter
,
Phys. Rev. Lett.
99
(
3
),
036101
(
2007
).
61.
V.
Panzetta
,
S.
Fusco
, and
P. A.
Netti
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
116
(
44
),
22004
22013
(
2019
).
62.
H. T.
Nia
,
L. L.
Munn
, and
R. K.
Jain
,
Science
370
(
6516
),
eaaz0868
(
2020
).
63.
K. H.
Vining
and
D. J.
Mooney
,
Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
18
(
12
),
728
742
(
2017
).
64.
Y.
Zheng
,
X.
Xue
,
Y.
Shao
,
S.
Wang
,
S. N.
Esfahani
,
Z.
Li
,
J. M.
Muncie
,
J. N.
Lakins
,
V. M.
Weaver
, and
D. L.
Gumucio
,
Nature
573
(
7774
),
421
425
(
2019
).
65.
P. D.
Leeson
and
B.
Springthorpe
,
Nat. Rev. Drug Discov.
6
(
11
),
881
890
(
2007
).
66.
J.
Nordanstig
,
S.
James
,
M.
Andersson
,
M.
Andersson
,
P.
Danielsson
,
P.
Gillgren
,
M.
Delle
,
J.
Engstrom
,
T.
Fransson
,
M.
Hamoud
et al,
N. Engl. J. Med.
383
(
26
),
2538
2546
(
2020
).
67.
V. S.
Shirure
and
S. C.
George
,
Lab Chip
17
(
4
),
681
690
(
2017
).
68.
K. M.
Gray
,
D. B.
Katz
,
E. G.
Brown
, and
K. M.
Stroka
,
Ann. Biomed. Eng.
47
(
7
),
1675
1687
(
2019
).
69.
A.
Zamora
,
M.
Alves
,
C.
Chollet
,
N.
Therville
,
T.
Fougeray
,
F.
Tatin
,
C.
Franchet
,
A.
Gomez-Brouchet
,
C.
Vaysse
,
L. O.
Martinez
et al,
Cell Death Dis.
10
(
12
),
956
(
2019
).
70.
B. J.
van Meer
,
H.
de Vries
,
K. S. A.
Firth
,
J.
van Weerd
,
L. G. J.
Tertoolen
,
H. B. J.
Karperien
,
P.
Jonkheijm
,
C.
Denning
,
A. P.
IJzerman
, and
C. L.
Mummery
,
Biochem. Biophys. Res. Commun.
482
(
2
),
323
328
(
2017
).
71.
K.
Domansky
,
D. C.
Leslie
,
J.
McKinney
,
J. P.
Fraser
,
J. D.
Sliz
,
T.
Hamkins-Indik
,
G. A.
Hamilton
,
A.
Bahinski
, and
D. E.
Ingber
,
Lab Chip
13
(
19
),
3956
3964
(
2013
).
72.
S.
Schneider
,
E. J. S.
Bras
,
O.
Schneider
,
K.
Schlunder
, and
P.
Loskill
,
Micromachines
12
(
5
),
575
(
2021
).
73.
J.
Li
and
D. J.
Mooney
,
Nat. Rev. Mater.
1
(
12
),
1
17
(
2016
).
74.
T.
Idzenga
,
K. D.
Reesink
,
Y.
van Swelm
,
H. H.
Hansen
,
S.
Holewijn
, and
C. L.
de Korte
,
Ultrasound Med. Biol.
38
(
11
),
1998
2006
(
2012
).
75.
M.
Fisher
and
S.
Fieman
,
Stroke
21
(
2
),
267
271
(
1990
).
76.
D. C.
Chappell
,
S. E.
Varner
,
R. M.
Nerem
,
R. M.
Medford
, and
R. W.
Alexander
,
Circ. Res.
82
(
5
),
532
539
(
1998
).
77.
J.
Garcia
,
A. J.
Barker
, and
M.
Markl
,
JACC Cardiovasc. Imaging
12
(
2
),
252
266
(
2019
).
78.
J.
Zhang
,
F.
Alisafaei
,
M.
Nikolić
,
X. A.
Nou
,
H.
Kim
,
V. B.
Shenoy
, and
G.
Scarcelli
,
Small
16
(
18
),
1907688
(
2020
).
79.
J. J.
Richardson
,
J.
Cui
,
M.
Bjornmalm
,
J. A.
Braunger
,
H.
Ejima
, and
F.
Caruso
,
Chem. Rev.
116
(
23
),
14828
14867
(
2016
).
80.
C.
Frantz
,
K. M.
Stewart
, and
V. M.
Weaver
,
J. Cell. Sci
123
(
24
),
4195
4200
(
2010
).
81.
K. A.
Gopinathan
,
A.
Mishra
,
B. R.
Mutlu
,
J. F.
Edd
, and
M.
Toner
,
Nature
622
(
7984
),
735
741
(
2023
).
82.
I. D.
Johnston
,
D. K.
McCluskey
,
C. K. L.
Tan
, and
M. C.
Tracey
,
J. Micromech. Microeng.
24
(
3
),
035017
(
2014
).
83.
I.
Ozolanta
,
G.
Tetere
,
B.
Purinya
, and
V.
Kasyanov
,
Med. Eng. Phys.
20
(
7
),
523
533
(
1998
).
84.
A.
Karimi
,
M.
Navidbakhsh
,
A.
Shojaei
, and
S.
Faghihi
,
Mater. Sci. Eng.: C
33
(
5
),
2550
2554
(
2013
).
85.
R.
Zhao
,
J. N.
Marhefka
,
F.
Shu
,
S. J.
Hund
,
M. V.
Kameneva
, and
J. F.
Antaki
,
Ann. Biomed. Eng.
36
(
7
),
1130
1141
(
2008
).
86.
D.
Lopes
,
H.
Puga
,
J. C.
Teixeira
, and
S. F.
Teixeira
,
Int. J. Mech. Sci.
160
,
209
218
(
2019
).
87.
C.
Stringer
,
T.
Wang
,
M.
Michaelos
, and
M.
Pachitariu
,
Nat. Methods
18
(
1
),
100
106
(
2020
).
88.
C. A.
Schneider
,
W. S.
Rasband
, and
K. W.
Eliceiri
,
Nat. Methods
9
(
7
),
671
675
(
2012
).
89.
M.
Weigert
,
U.
Schmidt
,
R.
Haase
,
K.
Sugawara
, and
G.
Myers
, in
Proceedings of the IEEE/CVF Winter Conference on Applications of Computer Vision
(
IEEE
,
2020
), pp.
3666
3673
.
90.
U.
Schmidt
,
M.
Weigert
,
C.
Broaddus
, and
G.
Myers
, in
Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention–MICCAI 2018: 21st International Conference
(
Springer
,
2018
), pp.
265
273
.
91.
T.
Ma
,
X.
Liu
,
H.
Su
,
Y.
He
,
F.
Wu
,
C.
Gao
,
K.
Li
,
Z.
Liang
,
D.
Zhang
,
X.
Zhang
et al, “
Coupling of perinuclear actin cap and nucleus mechanics in regulating flow-induced yap spatiotemporal nulceocytoplasmic transport
,”
Adv. Sci.
2023
,
2305867
.

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.