水凝胶，最新Nature Chemistry！

2025-06-11

技术文章

异质水凝胶

可控液-液相分离及其随后的定向相变特性对于细胞外基质 (ECM) 的凝聚介导组装至关重要。这种时空可控的 ECM 组装可用于开发基于凝聚层的聚合物组装策略，以生成能够模拟 ECM 复杂结构和生物物理特征的仿生材料。

受原弹性蛋白结构的启发，华南理工大学边黎明教授、赵鹏超教授以及香港中文大学王一教授开发了一个由交替排列的疏水基团和共价交联结构域组成的设计极简模型。通过提高疏水基团的价态并增强其相互作用强度，他们可以控制组装程度以增强相分离特性，从而模拟原弹性蛋白的细胞外凝聚过程，包括液滴形成、聚结和成熟。随后，共价键引发的凝聚层-水凝胶转变增强了组装有序性，使异质水凝胶形式的相分离结构得以稳定，从而模拟共价交联引发的弹性蛋白纤维化。此外，异质水凝胶网络构建了一种仿生基质，能够有效促进粘附干细胞的机械传感。相关研究成果以题为“A designer minimalistic model parallels the phase-separation-mediated assembly and biophysical cues of extracellular matrix"发表在最新一期《nature chemistry》上。

【一种具有可调组装顺序的极简模型模拟ECM的时空组装及其对细胞调控的生物物理线索】

作者设计了一种以明胶为骨架的高分子（macromer），在主链上周期性引入两类正交功能“域"：（i）驱动液–液相分离 (LLPS) 的疏水芳香“贴纸 (sticker)"；（ii）可按需进行共价光交联的甲基丙烯酰 (MA) 基团。灵感源自原弹性蛋白 (tropoelastin) 的装配顺序，该结构使体系能够依次经历液滴成核、融合、生长和最终固化，仿生地重现细胞外基质 (ECM) 中弹性蛋白的生成过程。通过调节贴纸的价数 (valence) 或相互作用强度 (hydrophobicity)，可精确控制在“锁定"结构之前的有序化程度；随后利用光交联固定微观异质、宏观稳固的基质，为干细胞提供可调的机械与拓扑信号。图1(a) 将原弹性蛋白相分离放在更广泛的生物凝聚体场景中；图1(b) 给出交替排布的“贴纸–交联剂"分子设计；图1(c) 通过贴纸价数与强度构建相图，显示体系从孤立液滴到纤维状水凝胶的有序度提升，以及随之而来的硬/软并存微环境对机械感知的潜在影响。

图 1. 具有可调组装顺序的简约模型模拟了 ECM 的时空组装和相关生物物理线索，以进行细胞调节

【疏水芳香贴纸之间的相互作用诱导形成稳定的共聚凝胶 (coacervate)】

作者将萘基 (Nap) 接枝到明胶得到 Coa-Nap，其溶液在 37 ℃、60 min 内自发分相产生致密液相，且在 7 d 内依旧保持液态（G′ < G′′）。该共聚凝胶在 0.15–1.5 M NaCl、DMEM 以及模拟胃液/肠液中均保持稳定；仅当 pH 升至碱性或加入 40 wt% 1,6-己二醇时才被破坏。温度降至 26.6 ℃ 以下时，体系因明胶螺旋化转为物理凝胶，表明在生理窗口内主导 LLPS 的是贴纸间的疏水作用而非三螺旋。

图 2. 接枝芳香族部分之间的疏水相互作用诱导稳定凝聚层的形成

【提高贴纸价数促进共聚凝胶的形成与稳定性】

作者进一步了比较三种变体：Coa-Nap-L（≈1 Nap/Lys）、Coa-Nap（≈3 Nap/Lys）和 Coa-Nap-P（3 Nap/Lys + 游离 Nap）。随着价数升高，10 µm 离散液滴演变为带空泡的块体共聚物；空泡中位面积从约 800 µm² 缩小至 200 µm²。荧光恢复 (FRAP) 表明分子可动性显著下降：30 s 时 Coa-Nap-L 恢复 45.7%，Coa-Nap-P 仅 5.2%。含水量亦同步下降。10 wt% 1,6-己二醇可溶解 Coa-Nap-L，却几乎不影响 Coa-Nap-P 的弹性 (G′/G′′≈15–20 Pa)。粗粒度分子动力学模拟显示最大贴纸簇从 ~11（Coa-Nap-L）增至 ~60（Coa-Nap-P），凝聚并紧缩明胶链长。

图 3. 接枝疏水部分的价态增加促进了明胶基凝聚层的形成和稳定性

【增强贴纸相互作用强度提升LLPS倾向】

在价数恒定条件下，将萘基替换为疏水性较弱的苯基 (Phe) 或羧苯基 (Car)。三体系均能相分离，但 Coa-Car 含水量最高 (~80 wt%)，在 20 wt% 1,6-己二醇中便被破坏；Coa-Nap 在 30 wt% 抑制剂下仍保持块体结构。复数粘度从 Coa-Car 的 ~25 Pa·s 提升至 Coa-Nap 的 ~100 Pa·s，且多项统计差异高度显著 (***P < 0.001)。图 4 汇总了液滴/块体照片、醇敏流变、水含量柱状图、倒置流动时间与粘度曲线，均与“相互作用强度"排序对应。

图 4. 嫁接到明胶上的疏水部分的相互作用强度的增加促进了 LLPS 的倾向

【后LLPS共价交联实现按需共聚凝胶–水凝胶相变并稳定结构】

在贴纸骨架中加入 MA 基团，配合 0.05 wt % I2959 紫外照射数秒即可将致密液相“锁定"，G′ 在 300 s 内从液态提升至 ≈1.1 kPa。原子力显微镜显示固化后模量呈双峰分布：软区 ~10 kPa，硬区 >100 kPa，并在 3-D 地图中直观呈现。扫描电镜保留了微米级孔道与空泡。综合贴纸价数、强度与 MA 密度，可将储能模量调控跨越两个数量级。

图 5. LLPS 后共价交联实现按需凝聚层-水凝胶转变，从而稳定相分离结构

【共聚相分离驱动的仿生基质调控干细胞行为】

作者将人源间充质干细胞 (hMSC) 培养 10 h 于三种基底：(i) 液态 Coa-Nap；(ii) 异质 Gel-Nap 水凝胶；(iii) 同等宏观模量的均质 GelMA。Gel-Nap 上细胞呈星状摊展（平均面积 ~4 700 µm²，圆度 <0.3）；GelMA 上仅 ~1 200 µm²；液态 Coa-Nap 上则形成 ~700 µm² 球形团块。机制传感标志物随之升高：PTK2、VCL、ITGB1 mRNA 在 Gel-Nap 上上调 1.5–3 倍，YAP 核/质比提高约两倍。

图 6. 通过凝聚介导制造仿生基质来调节干细胞行为

【总结】

通过在明胶主链上可程控地引入疏水贴纸与潜在交联基团，作者构建了一个极简却强大的模型，重现弹性蛋白生成的关键步骤：（1）疏水驱动的LLPS——在生理条件下稳定；（2）可调的有序化过程——由贴纸价数与强度控制；（3）可诱导的液–固转变——在特定时刻冻结中观结构。所得基质在硬MA富集岛与软明胶区之间形成空间梯度，为细胞提供丰富机械提示；hMSC因此呈现加速铺展与增强的机械传感信号。该策略不仅深化了对ECM组装机理的认识，也为3-D细胞培养、可注射治疗与自适应生物材料的开发提供了一种可调平台。

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