Advances in application of cell imprinting technology in biomedical field

doi:10.3724/SP.J.1123.2025.04007

Abstract

Abstract:

Cell imprinting technology， as a key technique in the field of cell-specific recognition， has become an important cornerstone of modern biomedical research. It relies on its precise recognition capability for biomarkers such as cell surface antigens and receptors. This technology is not only widely applied in basic fields， including disease marker detection and research on cell function and behavioral mechanisms， but also plays a crucial role in frontier applications like rare cell isolation and targeted drug development. It continuously promotes the innovative development of life science research. Although significant progress has been made in this technology， it still faces several urgent challenges. These specifically include optimization of the imprinting process （to enhance anti-interference ability and fidelity） and development of new methods adapted to complex biological environments. In response to these issues， researchers have achieved breakthrough progress in multiple fields through innovative material design and process optimization recently. First， in rare cell capture， this technology has significantly improved the separation efficiency of key rare cells in complex samples， providing an efficient solution for early cancer diagnosis and blood disease research. Second， in the field of cell culture， its unique imprinted surface can precisely regulate the expression of cell adhesion proteins to optimize the in vitro culture microenvironment. Finally， in biosensing， sensors developed based on this technology have demonstrated excellent sensitivity and specificity， opening up new avenues for disease monitoring. This paper systematically reviews the research status and development trends of cell imprinting technology， deeply analyzes its technical bottlenecks and breakthrough directions. The aim is to provide a comprehensive theoretical reference for related research and further promote the innovative application and leapfrog development of this technology in the biomedical field.

Key words: cell imprinting, cell capture, cell recognition and sorting, cell culture, biosensor

CLC Number:

O658

ZHAO Xinmiao, ZHANG Zhiyuan, SUN Wenjing, QING Guangyan. Advances in application of cell imprinting technology in biomedical field[J]. Chinese Journal of Chromatography, 2026, 44(1): 17-29.

Figures/Tables 11

Fig. 1 Flow chart of capture and release of SMMC-7721 cells［30-32］a. cell-imprinted substrate with aptamer functionalization （APT-CIS）； b. cell-imprinted hydrogel with site-directed modification of aptamers （APT-CIH）； c. cell-imprinted hydrogel with 3-acrylamido phenylboronic acid （PBA-CIH）.SMMC-7721： human hepatocellular carcinoma cell line.

Fig. 2 Flow chart of CTC capture and release of near-infrared light-responsive hydrogels［33］a， b. FESEM images of the cell-imprinted template showing （a） a large number of michigan cancer foundation-7 （MCF-7） cells and （b） an individual MCF-7 cell； c-e. （c， d） AFM images and （e） the profile showing a single imprint （length： 15 μm； height： 5.2 μm）； f. schematic diagram showing the NIR-responsive cell-imprinted gelatin for capture and photothermal selective release of single CTC from peripheral blood.CTC： circulating tumor cell； FESEM： field emission scanning electron microscopy； AFM： atomic force microscope； NIR： near infrared.

Fig. 3 Mechanism of whole CISlinked allochroic-graphene oxide for cell assay［38］CIS： cell imprinted substrate； HCC： hepatocellular carcinoma.

Fig. 4 Diagram of a microfluidic device for integrated stem cell differentiation based on whole CIS［39］a. make a CMD； b. cultivation， differentiation， and transplantation of ADSCs.CMD： complete microfluidic device； ADSCs： adipose-derived mesenchymal stem cells

Fig. 5 Schematic of a whole-cell thermal sensor for detecting plasmodium falciparum-infected erythrocytes［44］PDMS： polydimethylsiloxane.

Fig. 6 Schematic diagram of the preparation of dual-network hydrogels to achieve precise structural replication and capture of cells［50］CIDH： a dual network hydrogel with cyclic multi-DNA modifications has been created using fixed cells as templates； PD-L1： programmed cell death ligand 1.

Fig. 7 Schematic diagrams of silicification of mammalian cells cultured on a flat substrate［51］a. schematic describing the process of cell silicification； b. image field of AsPC-1 cells throughout the steps of silicification； images in （Ⅰ） and （Ⅱ） show hydrated cells， and （Ⅲ） and （Ⅳ） show dehydrated composites and silica replicas. Insets show representative energy dispersive spectroscopy spectra of cells at the various stages.AsPC-1 cells： human pancreatic adenocarcinoma cell line.

Fig. 8 Schematic diagram of PBACIP’s manufacturing route and selective capture of CTCin cancer patients［53］SiO2@BA： boronic acid modified SiO2 nanoparticles； PBACIP： PEGylated boronate affinity cell imprinted polydimethylsiloxane.ER/PR-positive： estrogen receptor/progesterone receptor-positive； HER2-positive： human epidermal growth factor receptor 2-positive.

Fig. 9 Schematic diagram of the integrated diagnosis of whole cell-imprinted alginate hydrogels for heterogeneous CTC［54］

Fig. 10 Schematic of whole cell imprinting technique for PDMS and GelMA hydrogel［56］GelMA： gelatin methacryloyl.

Table 1 The application of whole cell imprinting technology in the field of biomedicine

Application	Method	Samples	Advantages	Ref.
Rare cell capture	artificial antibody replica imprinting	SMMC-7721	high efficiency， low cost	［17］
	stamp imprinting	MCF-7	fixed-point release， high efficiency	［33］
	artificial antibody replica imprinting	MCF-7	real-time fluorescence detection	［50］
	artificial antibody replica imprinting	SKBR-3	high specificity， efficiency	［53］
	artificial antibody replica imprinting	MCF-7	capture， analyze， respond to drugs all in one	［54］
	artificial antibody replica imprinting	SMMC-7721	high efficiency， selectivity	［30］
	artificial antibody replica imprinting	SMMC-7721	high efficiency， selectivity	［31］
	artificial antibody replica imprinting	SMMC-7721	antibody-free hydrogel	［32］
Single-cell sorting	artificial template imprinting	HL60	high selectivity	［19］
	sacrificial layer imprint method	AsPC-1， 4T1， RBL-2H3， erythrocyte	stable function， low cost， simple operation	［51］
	artificial antibody replica imprinting	HLE	high specificity， low cost， easy to operate	［38］
Cell culture	artificial template imprinting	rat cardiomyocytes H9C2	precise， rapid.	［18］
	stamp imprinting	rabbit ADSCs， chondrocytes	highly operable， high efficiency	［39］
	sacrificial layer imprint method	human chondrocytes	high efficiency	［40］
Biosensing	stamp imprinting	macrophages， MCF-7	low cost， fast， reusable	［42］
Biosensing	film imprinting	erythrocytes	real-time monitoring， high precision	［44］
SKBR-3： human breast adenocarcinoma cell line； HL60： human promyelocytic leukemia cell line； AsPC-1： human pancreatic adenocarcinoma cell line； 4T1： murine mammary carcinoma cell line； RBL-2H3： rat basophilic leukemia cell line； HLE： human hepatocellular carcinoma cells； H9C2： rat cardiomyoblast cell line.

References

[1]	Alexander C， Andersson H S， Andersson L I， et al. J Mol Recognit， 2006， 19（2）： 106
[2]	Ostovan A， Arabi M， Wang Y， et al. Adv Mater， 2022， 34（42）： e2203154
[3]	Arabi M， Ostovan A， Li J， et al. Adv Mater， 2021： 2100543
[4]	Pan J， Chen W， Ma Y， et al. Chem Soc Rev， 2018， 47： 5574
[5]	Zhang Y， Deng C， Liu S， et al. Angew Chem-Int Edit， 2015， 54（17）： 5157
[6]	Ma Y， Yin Y， Ni L， et al. Bioact Mater， 2021， 6（5）： 1308
[7]	Liu R， Cui Q， Wang C， et al. ACS Appl Mater Interfaces， 2017， 9（3）： 3006
[8]	Li X T， Liang P， Zhou Y F， et al. Chinese Journal of Chromatography， 2020， 38（11）： 1263
[8]	李新庭，梁鹏，周玉凤，等. 色谱， 2020， 38（11）： 1263
[9]	Zhou J， Cheng X， Guo Z， et al. Angew Chem-Int Edit， 2023， 62（19）： e202213938
[10]	Bie Z， Chen Y， Ye J， et al. Angew Chem-Int Edit， 2015， 54（35）： 10211
[11]	Xing R， Wang S， Bie Z， et al. Nat Protoc， 2017， 12（5）： 964
[12]	Kamguyan K， Katbab A A， Mahmoudi M， et al. Biomater Sci， 2017， 6： 189
[13]	Kavand H， van Lintel H， Sichani S B， et al. ACS Appl Mater Interfaces， 2019， 11（11）： 10559
[14]	Gao S， Chen S， Lu Q. Biomater Sci， 2019， 7： 4027
[15]	Yongabi D， Khorshid M， Losada-Pérez P， et al. Sens Actuator B-Chem， 2018， 255（1）： 907
[16]	Ghazali Z S， Eskandari M， Bonakdar S， et al. Biofabrication， 2021， 13（3）： 035009
[17]	Sun W， You X， Zhao X， et al. Adv Mater， 2024， 36（27）： 2402379
[18]	Yao M， Xu W， Meng Y， et al. Langmuir， 2022， 38（26）： 7921
[19]	Chester R， Das A A K， Medlock J， et al. ACS Appl Bio Mater， 2020， 3（2）： 789
[20]	Jia M， Zhang Z， Li J， et al. TrAC-Trends Anal Chem， 2018， 106： 190
[21]	Liu Y， Wang L， Li H， et al. Prog Polym Sci， 2024， 150： 101790
[22]	Romana S， Ren K， Zare R N. Scientia Sinica Chimica， 2012， 42（7）： 937
[23]	Hu R， Luan J， Kharasch E D， et al. ACS Appl Mater Interfaces， 2017， 9（1）： 145
[24]	Zhang Z， Li M， Ren J， et al. Small， 2014， 11（11）： 1258
[25]	Labib M， Philpott D N， Wang Z， et al. Accounts Chem Res， 2020， 53（8）： 1445
[26]	Wu J， Hu S， Zhang L， et al. Theranostics， 2020， 10（10）： 4544
[27]	Yin J， Deng J， Du C， et al. TrAC-Trends Anal Chem， 2019， 117： 84
[28]	Green B J， Marazzini M， Hershey B， et al. Small， 2022， 18（48）： 2206567
[29]	Zhu Y， Podolak J， Zhao R， et al. Anal Chem， 2018， 90（20）： 11756
[30]	Liu L， Yang K， Dai Z， et al. Chin Chem Lett， 2019， 30（3）： 672
[31]	Liu L， Yang K， Gao H， et al. Anal Chem， 2019， 91（4）： 2591
[32]	Liu L， Dong C， Li X， et al. Small， 2020， 16（7）： 1904199
[33]	Lv S， Liu Y， Xie M， et al. ACS Nano， 2016， 10（6）： 6201
[34]	Miwa H， Dimatteo R， de Rutte J， et al. Microsyst Nanoeng， 2022， 8（1）： 84
[35]	Lim B， Lin Y， Navin N. Cancer Cell， 2020， 37（4）： 456
[36]	Bole A L， Manesiotis P. Adv Mater， 2016， 28（27）： 5349
[37]	Bu A X， Wu G Y， Hu L H. Chinese Journal of Chromatography， 2025， 43（5）： 399
[37]	卜爱香，武光耀，胡良海. 色谱， 2025， 43（5）： 399
[38]	Sun L， Peng C， Luo Y， et al. Mater Sci Eng C-Mater Biol Appl， 2021， 123： 111966
[39]	Kashani S Y， Moraveji M K， Taghipoor M， et al. Mater Sci Eng C-Mater Biol Appl， 2021， 121： 111794
[40]	Mashinchian O， Bonakdar S， Taghinejad H， et al. ACS Appl Mater Interfaces， 2014， 6（15）： 13280
[41]	Hou H Q， Su L M， Huang Y Y， et al. Chinese Journal of Chromatography， 2016， 34（12）： 1206
[41]	侯会卿，苏黎明，黄嫣嫣，等. 色谱， 2016， 34（12）： 1206
[42]	Eersels K， van Grinsven B， Ethirajan A， et al. ACS Appl Mater Interfaces， 2013， 5（15）： 7258
[43]	Piletsky S， Canfarotta F， Poma A， et al. Trends Biotechnol， 2020， 38（4）： 368
[44]	Arreguin-Campos R， Brito R M M， Porto A R A， et al. ACS Sens， 2025， 10（2）： 650
[45]	Dennis J W， Nabi I R， Demetriou M， Cell， 2009， 139（7）： 1229
[46]	Stevens M M， George J H. Science， 2005， 310（5751）： 1135
[47]	Klein S G， Alsolami S M， Steckbauer A， et al. Nat Biomed Eng， 2021， 5（8）： 787
[48]	Rogers Z J， Flood D， Bencherif S A， et al. Free Radic Biol Med， 2025， 226： 279
[49]	Hasannejad F， Montazeri L， Mano J F， et al. BioImpacts， 2024， 14（3）： 29945
[50]	Chen D， Li Y， Liu X， et al. ACS Appl Mater Interfaces， 2024， 16（7）： 8301
[51]	Kaehr B， Townson J L， Kalinich R M， et al. Proc Natl Acad Sci U S A， 2012， 109（43）： 17336
[52]	Pelle M， Das A A K， Madden L A， et al. Adv Biosyst， 2020， 4（11）： 2000054
[53]	Sun Y， Luo Y， Sun L， et al. Biosens Bioelectron， 2023， 223： 115023
[54]	Gao S， Chen S， Liu Y， et al. ACS Appl Mater Interfaces， 2021， 13（17）： 19603
[55]	Choi Y， Kwon J， Cho Y. Cells， 2021， 10（12）： 3362
[56]	Shahriyari F， Janmaleki M， Sharifi S， et al. Acta Biomater， 2020， 113： 119
[57]	Jenik M， Seifner A， Krassnig S， et al. Biosens Bioelectron， 2009， 25（1）： 9