多倫多大學Eugenia Kumacheva Nat. Rev. Mater.：仿生纖維水凝膠的設計與應用

【引言】

細胞外基質（ECM）的絲狀結構影響細胞生長和表現，賦予組織獨特的作用。人造纖維水凝膠仿ECM的絲狀和性質，可作為3D細胞培養和組織的支架。不同的納米原纖水凝膠，具有不同的組裝機制、物理性質和應用。人造纖維水凝膠是亞水凝膠，具有仿ECM的絲狀的結構和可調的精度。水凝膠的原纖維決定了它們的機械性能、孔徑和運輸性能。但是結構、生物和物理性質、粘附配體的組織和細胞與ECM相互作用非常復雜，原纖維形態并不足以模擬體內ECM的所有性質。仿生纖維水凝膠將分子或納米膠體結構單元分級組裝成原纖維，然后進行成束、分支，交聯和/或纏結而形成水凝膠。本綜述中，討論了原纖維水凝膠的設計、類型、結構、各向異性、化學功能化，性質和應用。自下而上方法制備的水凝膠，分子或納米顆粒結構組裝成絲狀水凝膠的原纖維；研究天然ECM的纖維成分，模仿水凝膠基質中ECM結構的重要性；分析不同類型的結構單元和組裝機理；比較仿生纖維水凝膠的結構和性質。

【成果簡介】

近日，加拿大多倫多大學的Eugenia Kumacheva（通訊）作者等人，探討仿生人造納米纖維水凝膠的設計和性質；討論肽、嵌段共聚物蠕蟲狀膠束和絲狀納米粒子組裝成纖維水凝膠；研究結構與物理和生化特性之間的關系；研究3D細胞培養和組織工程的潛在應用；比較天然和人造纖維水凝膠的性質和結構。最后，評估當前的挑戰和該領域的未來方向。相關成果以“Design and applications of man-made biomimetic fibrillar hydrogels”為題發表在Nature Reviews Materials上。

【圖文導讀】

圖 1 納米原纖維細胞外基質

（a）體內細胞外基質（ECM）纖維的圖像：上圖，小鼠主動脈外膜中彈性纖維的SEM）圖像；中圖，膠原水凝膠中膠原纖維的SEM圖像；下圖，細胞衍生的3D基質中免疫熒光染色的纖連蛋白的共聚焦顯微鏡圖像。

（b）原纖維結構對力學傳導和生長因子信號傳導的影響。

圖 2 人造納米纖絲水凝膠的組裝示意圖

（a）纖維狀水凝膠通過分子結構單元和納米顆粒組裝示意圖；

（b）水凝膠形成的不同機制是纏結，分支和纖維或原纖維的結合。

圖 3 分子結構單元組裝纖維狀水凝膠

（a）肽組裝成纖維和水凝膠的示意圖，及其水凝膠的SEM圖像；

（b）嵌段共聚物組裝成蠕蟲狀膠束、纏結形成纖維狀水凝膠示意圖，及其膠束的TEM圖像。

圖 4 膠體顆粒組裝纖維狀水凝膠的示意圖及其SEM表征

（a）絲狀膠體納米顆粒（NP）凝膠化的三種方法：上圖，將膠凝聚合物接枝到NP表面，SEM顯示由接枝有聚的纖維素納米晶體形成的水凝膠；中圖，未經修飾的NPs直接凝膠化，SEM圖像顯示在50 mM Sr²⁺離子溶液中，纖維素納米晶體凝膠化水凝膠；下圖，纖維素納米晶體與膠凝聚合物的混合，SEM圖像顯示纖維素納米晶體-明膠水凝膠；

（b）纖維素納米晶體，幾丁質納米晶體和纖維素納米纖維的凝膠化示意圖。

圖 5 纖維狀水凝膠的各向異性

（a）各向異性原纖維基質內接觸影響細胞生長，導致細胞排列并促進細胞-細胞接觸的形成；

（b）在凝膠化過程中將水凝膠前體溶液暴露于定向剪切，電場或磁場，實現纖維排列示意圖。

圖 6 纖維水凝膠的結構和性質

（a）水凝膠結構和機械性能之間的關系圖；

（b）對于β-發夾肽水凝膠和分子水凝膠，藍線表示纖維狀水凝膠的G'的預測比例的預測比例關系，綠線表示分子水凝膠的預測比例關系；

（c）纖維水凝膠的運輸性質示意圖；

（d）配體/生長因子的原纖維的生化功能化示意圖。

【小結及展望】

纖維水凝膠是組織工程、再生醫學和3D細胞培養的優秀支架，可以制成類似體內ECM的機械性質和改善的質量傳遞。纖維狀水凝膠可以用生長因子和細胞粘附配體功能化。纖維狀水凝膠的各種構建塊：包括肽、嵌段共聚物和絲狀納米顆粒，實現多種應用。

（1）纖維狀水凝膠的機械性質對細胞生長和表型的影響的大多數研究都集中在彈性模量上，忽略了粘彈性行為。纖維水凝膠尚未探索應力松弛及其對細胞行為的影響。迄今為止，納米結構對應力松弛的影響以及纖維水凝膠的粘彈性，如何影響細胞表型和生長仍然是難以捉摸的。另外，纖維凝膠的非線性應變硬化行為也需要進一步研究。

（2）纖維狀水凝膠膠化機制與性質之間的關系。纖維狀ECM蛋白的粘彈性和力學性質的模擬，分析了結構和材料性質的相關性。類似地，建模方法也可以模擬人造纖維水凝膠的結構-性質關系。

（3）水凝膠具有擴散各向異性。人造纖維水凝膠的各向異性還未被研究，高度纖維排列的膠原縱向擴散系數高于橫向上的系數。這種作用可能影響藥物和納米藥物向體內特定位置的遞送。

（4）動態纖維水凝膠可以更好地模擬體內ECM的性質。動態纖維水凝膠可以解決凝膠內的光散射問題，使光學顯微鏡的細胞表征變得困難。動態纖維水凝膠可以模擬ECMs行為，膠原纖維在不同發育階段和不同疾病中被降解、合成和重塑。

（5）3D生物打印模擬水凝膠和復雜架構的人造組織，探索制備方法對纖維的排列和各向異性水凝膠的復雜的結構，用于組織工程和藥物開發的體外模型，用于藥物篩選和基礎生物學研究。

文獻鏈接：Design and applications of man-made biomimetic fibrillar hydrogels（Nature Reviews Materials, 2018, DOI: 10.1038/s41578-018-0077-9）。

本文由材料人編輯部張金洋編譯整理。

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