水凝膠，最新Nature Chemistry！

2025-06-11

技術文章

異質(zhì)水凝膠

可控液-液相分離及其隨后的定向相變特性對于細胞外基質(zhì) (ECM) 的凝聚介導組裝至關重要。這種時空可控的 ECM 組裝可用于開發(fā)基于凝聚層的聚合物組裝策略，以生成能夠模擬 ECM 復雜結構和生物物理特征的仿生材料。

受原彈性蛋白結構的啟發(fā)，華南理工大學邊黎明教授、趙鵬超教授以及香港中文大學王一教授開發(fā)了一個由交替排列的疏水基團和共價交聯(lián)結構域組成的設計極簡模型。通過提高疏水基團的價態(tài)并增強其相互作用強度，他們可以控制組裝程度以增強相分離特性，從而模擬原彈性蛋白的細胞外凝聚過程，包括液滴形成、聚結和成熟。隨后，共價鍵引發(fā)的凝聚層-水凝膠轉變增強了組裝有序性，使異質(zhì)水凝膠形式的相分離結構得以穩(wěn)定，從而模擬共價交聯(lián)引發(fā)的彈性蛋白纖維化。此外，異質(zhì)水凝膠網(wǎng)絡構建了一種仿生基質(zhì)，能夠有效促進粘附干細胞的機械傳感。相關研究成果以題為“A designer minimalistic model parallels the phase-separation-mediated assembly and biophysical cues of extracellular matrix"發(fā)表在最新一期《nature chemistry》上。

【一種具有可調(diào)組裝順序的極簡模型模擬ECM的時空組裝及其對細胞調(diào)控的生物物理線索】

作者設計了一種以明膠為骨架的高分子（macromer），在主鏈上周期性引入兩類正交功能“域"：（i）驅(qū)動液–液相分離 (LLPS) 的疏水芳香“貼紙 (sticker)"；（ii）可按需進行共價光交聯(lián)的甲基丙烯酰 (MA) 基團。靈感源自原彈性蛋白 (tropoelastin) 的裝配順序，該結構使體系能夠依次經(jīng)歷液滴成核、融合、生長和最終固化，仿生地重現(xiàn)細胞外基質(zhì) (ECM) 中彈性蛋白的生成過程。通過調(diào)節(jié)貼紙的價數(shù) (valence) 或相互作用強度 (hydrophobicity)，可精確控制在“鎖定"結構之前的有序化程度；隨后利用光交聯(lián)固定微觀異質(zhì)、宏觀穩(wěn)固的基質(zhì)，為干細胞提供可調(diào)的機械與拓撲信號。圖1(a) 將原彈性蛋白相分離放在更廣泛的生物凝聚體場景中；圖1(b) 給出交替排布的“貼紙–交聯(lián)劑"分子設計；圖1(c) 通過貼紙價數(shù)與強度構建相圖，顯示體系從孤立液滴到纖維狀水凝膠的有序度提升，以及隨之而來的硬/軟并存微環(huán)境對機械感知的潛在影響。

圖 1. 具有可調(diào)組裝順序的簡約模型模擬了 ECM 的時空組裝和相關生物物理線索，以進行細胞調(diào)節(jié)

【疏水芳香貼紙之間的相互作用誘導形成穩(wěn)定的共聚凝膠 (coacervate)】

作者將萘基 (Nap) 接枝到明膠得到 Coa-Nap，其溶液在 37 ℃、60 min 內(nèi)自發(fā)分相產(chǎn)生致密液相，且在 7 d 內(nèi)依舊保持液態(tài)（G′ < G′′）。該共聚凝膠在 0.15–1.5 M NaCl、DMEM 以及模擬胃液/腸液中均保持穩(wěn)定；僅當 pH 升至堿性或加入 40 wt% 1,6-己二醇時才被破壞。溫度降至 26.6 ℃ 以下時，體系因明膠螺旋化轉為物理凝膠，表明在生理窗口內(nèi)主導 LLPS 的是貼紙間的疏水作用而非三螺旋。

圖 2. 接枝芳香族部分之間的疏水相互作用誘導穩(wěn)定凝聚層的形成

【提高貼紙價數(shù)促進共聚凝膠的形成與穩(wěn)定性】

作者進一步了比較三種變體：Coa-Nap-L（≈1 Nap/Lys）、Coa-Nap（≈3 Nap/Lys）和 Coa-Nap-P（3 Nap/Lys + 游離 Nap）。隨著價數(shù)升高，10 µm 離散液滴演變?yōu)閹Э张莸膲K體共聚物；空泡中位面積從約 800 µm2 縮小至 200 µm2。熒光恢復 (FRAP) 表明分子可動性顯著下降：30 s 時 Coa-Nap-L 恢復 45.7%，Coa-Nap-P 僅 5.2%。含水量亦同步下降。10 wt% 1,6-己二醇可溶解 Coa-Nap-L，卻幾乎不影響 Coa-Nap-P 的彈性 (G′/G′′≈15–20 Pa)。粗粒度分子動力學模擬顯示最大貼紙簇從 ~11（Coa-Nap-L）增至 ~60（Coa-Nap-P），凝聚并緊縮明膠鏈長。

圖 3. 接枝疏水部分的價態(tài)增加促進了明膠基凝聚層的形成和穩(wěn)定性

【增強貼紙相互作用強度提升LLPS傾向】

在價數(shù)恒定條件下，將萘基替換為疏水性較弱的苯基 (Phe) 或羧苯基 (Car)。三體系均能相分離，但 Coa-Car 含水量最高 (~80 wt%)，在 20 wt% 1,6-己二醇中便被破壞；Coa-Nap 在 30 wt% 抑制劑下仍保持塊體結構。復數(shù)粘度從 Coa-Car 的 ~25 Pa·s 提升至 Coa-Nap 的 ~100 Pa·s，且多項統(tǒng)計差異高度顯著 (***P < 0.001)。圖 4 匯總了液滴/塊體照片、醇敏流變、水含量柱狀圖、倒置流動時間與粘度曲線，均與“相互作用強度"排序?qū)?/span>。

圖 4. 嫁接到明膠上的疏水部分的相互作用強度的增加促進了 LLPS 的傾向

【后LLPS共價交聯(lián)實現(xiàn)按需共聚凝膠–水凝膠相變并穩(wěn)定結構】

在貼紙骨架中加入 MA 基團，配合 0.05 wt % I2959 紫外照射數(shù)秒即可將致密液相“鎖定"，G′ 在 300 s 內(nèi)從液態(tài)提升至 ≈1.1 kPa。原子力顯微鏡顯示固化后模量呈雙峰分布：軟區(qū) ~10 kPa，硬區(qū) >100 kPa，并在 3-D 地圖中直觀呈現(xiàn)。掃描電鏡保留了微米級孔道與空泡。綜合貼紙價數(shù)、強度與 MA 密度，可將儲能模量調(diào)控跨越兩個數(shù)量級。

圖 5. LLPS 后共價交聯(lián)實現(xiàn)按需凝聚層-水凝膠轉變，從而穩(wěn)定相分離結構

【共聚相分離驅(qū)動的仿生基質(zhì)調(diào)控干細胞行為】

作者將人源間充質(zhì)干細胞 (hMSC) 培養(yǎng) 10 h 于三種基底：(i) 液態(tài) Coa-Nap；(ii) 異質(zhì) Gel-Nap 水凝膠；(iii) 同等宏觀模量的均質(zhì) GelMA。Gel-Nap 上細胞呈星狀攤展（平均面積 ~4 700 µm2，圓度 <0.3）；GelMA 上僅 ~1 200 µm2；液態(tài) Coa-Nap 上則形成 ~700 µm2 球形團塊。機制傳感標志物隨之升高：PTK2、VCL、ITGB1 mRNA 在 Gel-Nap 上上調(diào) 1.5–3 倍，YAP 核/質(zhì)比提高約兩倍。

圖 6. 通過凝聚介導制造仿生基質(zhì)來調(diào)節(jié)干細胞行為

【總結】

通過在明膠主鏈上可程控地引入疏水貼紙與潛在交聯(lián)基團，作者構建了一個極簡卻強大的模型，重現(xiàn)彈性蛋白生成的關鍵步驟：（1）疏水驅(qū)動的LLPS——在生理條件下穩(wěn)定；（2）可調(diào)的有序化過程——由貼紙價數(shù)與強度控制；（3）可誘導的液–固轉變——在特定時刻凍結中觀結構。所得基質(zhì)在硬MA富集島與軟明膠區(qū)之間形成空間梯度，為細胞提供豐富機械提示；hMSC因此呈現(xiàn)加速鋪展與增強的機械傳感信號。該策略不僅深化了對ECM組裝機理的認識，也為3-D細胞培養(yǎng)、可注射治療與自適應生物材料的開發(fā)提供了一種可調(diào)平臺。

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