水凝膠，最新Nature Chemistry！

2025-06-11

技術文章

異質水凝膠

可控液-液相分離及其隨後的定向相變特性對於細胞外基質 (ECM) 的凝聚介導組裝至關重要。這種時空可控的 ECM 組裝可用於開發基於凝聚層的聚合物組裝策略，以生成能夠模擬 ECM 複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，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了一個由交替排列的疏水基團和共價交聯結構域組成的設計極簡模型。通過提高疏水基團的價態並增強其相互作用強度，他們可以控製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。隨後，共價鍵引發的凝聚層-水凝膠轉變增強了組裝有序性，使異質水凝膠形式的相分離結構得以穩定，從而模擬共價交聯引發的彈性蛋白纖維化。此外，異質水凝膠網絡構建了一種仿生基質，能夠有效促進粘附幹細胞的機械傳感。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"發表在最新一期《nature chemistry》上。

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

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，該結構使體係能夠依次經曆液滴成核、融合、生長和最終固化，仿生地重現細胞外基質 (ECM) 中彈性蛋白的生成過程。通過調節貼紙的價數 (valence) 或相互作用強度 (hydrophobicity)，可精確控製在“鎖定"結構之前的有序化程度；隨後利用光交聯固定微觀異質、宏觀穩固的基質，為幹細胞提供可調的機械與拓撲信號。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–交聯劑"分子設計；圖1(c) 通過貼紙價數與強度構建相圖，顯示體係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/軟並存微環境對機械感知的潛在影響。

圖 1. 具有可調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，以進行細胞調節

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

作者將萘基 (Nap) 接枝到明膠得到 Coa-Nap，其溶液在 37 ℃、60 min 內自發分相產生致密液相，且在 7 d 內依舊保持液態（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，體係因明膠螺旋化轉為物理凝膠，表明在生理窗口內主導 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定凝聚層的形成

【提高貼紙價數促進共聚凝膠的形成與穩定性】

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 + 遊離 Nap）。隨著價數升高，10 µm 離散液滴演變為帶空泡的塊體共聚物；空泡中位麵積從約 800 µm² 縮小至 200 µm²。熒光恢複 (FRAP) 表明分子可動性顯著下降：30 s 時 Coa-Nap-L 恢複 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），凝聚並緊縮明膠鏈長。

圖 3. 接枝疏水部分的價態增加促進了明膠基凝聚層的形成和穩定性

【增強貼紙相互作用強度提升LLPS傾向】

在價數恒定條件下，將萘基替換為疏水性較弱的苯基 (Phe) 或羧苯基 (Car)。三體係均能相分離，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% 抑製劑下仍保持塊體結構。複數粘度從 Coa-Car 的 ~25 Pa·s 提升至 Coa-Nap 的 ~100 Pa·s，且多項統計差異高度顯著 (***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"排序對應。

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

【後LLPS共價交聯實現按需共聚凝膠–水凝膠相變並穩定結構】

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

圖 5. LLPS 後共價交聯實現按需凝聚層-水凝膠轉變，從而穩定相分離結構

【共聚相分離驅動的仿生基質調控幹細胞行為】

作者將人源間充質幹細胞 (hMSC) 培養 10 h 於三種基底：(i) 液態 Coa-Nap；(ii) 異質 Gel-Nap 水凝膠；(iii) 同等宏觀模量的均質 GelMA。Gel-Nap 上細胞呈星狀攤展（平均麵積 ~4 700 µm²，圓度 <0.3）；GelMA 上僅 ~1 200 µm²；液態 Coa-Nap 上則形成 ~700 µm² 球形團塊。機製傳感標誌物隨之升高：PTK2、VCL、ITGB1 mRNA 在 Gel-Nap 上上調 1.5–3 倍，YAP 核/質比提高約兩倍。

圖 6. 通過凝聚介導製造仿生基質來調節幹細胞行為

【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基團，作者構建了一個極簡卻強大的模型，重現彈性蛋白生成的關鍵步驟：（1）疏水驅動的LLPS——在生理條件下穩定；（2）可調的有序化過程——由貼紙價數與強度控製；（3）可誘導的液–固轉變——在特定時刻凍結中觀結構。所得基質在硬MA富集島與軟明膠區之間形成空間梯度，為細胞提供豐富機械提示；hMSC因此呈現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、可注射治療與自適應生物材料的開發提供了一種可調平台。

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