《AFM》水凝膠和細(xì)胞“零距離”擁抱

生物材料與生命系統(tǒng)的整合，一直是組織工程、智能植入體和人機(jī)接口等研究中的難題。傳統(tǒng)水凝膠雖然因其高含水量和柔軟性被廣泛關(guān)注，但它們在細(xì)胞/組織相容性、黏附力和穩(wěn)定性方面仍存在不足，特別是其物理化學(xué)性能與天然組織間存在“界面不協(xié)調(diào)”。

為解決上述問題，作者提出仿照自然中非平衡體系（如細(xì)胞膜內(nèi)外滲透壓差、神經(jīng)遞質(zhì)梯度）的方式，設(shè)計一種始終處于非平衡狀態(tài)的水凝膠材料，能動態(tài)調(diào)控與生物組織的相互作用，實(shí)現(xiàn)無縫異質(zhì)融合。

摘要：生物體的生長是通過在溫和的生理?xiàng)l件下自主整合外部營養(yǎng)素作為構(gòu)建單元來實(shí)現(xiàn)的。受這一生物學(xué)特性的啟發(fā)，研究人員開發(fā)了基于反應(yīng)性單體的化學(xué)聚合的自生長材料。然而，共價鍵驅(qū)動的自生長材料有限的細(xì)胞相容性阻礙了其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。在此，本文報道了一種非平衡自生長水凝膠，該水凝膠是由鈣離子（Ca2+）與二膦酸鹽修飾的果膠（PT-BP）之間的細(xì)胞相容性配體-離子配位驅(qū)動的。通過無縫整合所提供的可溶性PT-磷酸鹽，種子PT-BP-Ca2+水凝膠以異養(yǎng)方式自主地發(fā)生多種形式的自生長。BP聚合物通過Ca2+擴(kuò)散介導(dǎo)的交聯(lián)形成完整的結(jié)構(gòu)。這種自生長使水凝膠的多種細(xì)胞相容性凝膠化后改性成為可能，包括復(fù)雜的表面圖案化和節(jié)段生長誘導(dǎo)的冷焊。與自愈合水凝膠的間隙干擾界面不同，自生長PT-BP-Ca2+水凝膠的整體和連續(xù)結(jié)構(gòu)更好地支持包封在種子水凝膠和新生長區(qū)域中的細(xì)胞的遷移和相互作用。在動物模型中接種癌細(xì)胞的水凝膠的體內(nèi)自生長增強(qiáng)巨噬細(xì)胞浸潤，這是癌癥發(fā)展過程中的一個關(guān)鍵致病特征。這項(xiàng)工作展示了一種簡單的細(xì)胞相容性策略，用于制造生物啟發(fā)的異養(yǎng)自生長材料，用于各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

研究方法1. 材料制備：

該非平衡水凝膠以聚丙烯酰胺（PAAm）為基體，摻雜多種電解質(zhì)（NaCl、KCl、CaCl?等），通過調(diào)節(jié)水凝膠各部分的離子濃度，制造出持久的化學(xué)勢梯度，從而維持非平衡狀態(tài)。值得一提的是，整個制備過程中未使用交聯(lián)劑或活性劑，最大限度保障生物相容性。

2. 非平衡策略：

通過精密設(shè)計的“異構(gòu)離子分布”，水凝膠內(nèi)部形成持續(xù)的離子遷移通道。這種非平衡結(jié)構(gòu)可主動調(diào)節(jié)滲透壓力與局部環(huán)境，使其界面行為更貼近自然組織的動態(tài)響應(yīng)。

3. 接觸生物實(shí)驗(yàn)：

使用體外細(xì)胞培養(yǎng)（如成纖維細(xì)胞、神經(jīng)元）和動物皮膚接觸實(shí)驗(yàn)，測試水凝膠的生物相容性與界面適應(yīng)性。同時對力學(xué)性能、界面黏附力、電離子導(dǎo)通能力等進(jìn)行系統(tǒng)表征。

研究結(jié)1. 非平衡性驅(qū)動異質(zhì)整合

水凝膠展示出顯著的離子梯度效應(yīng)。在與組織接觸時，內(nèi)部離子持續(xù)遷移，誘導(dǎo)組織液向凝膠滲透，形成類似“細(xì)胞共生”的界面狀態(tài)，促使組織自然粘附在凝膠表面，無需外力或化學(xué)處理。

2. 生物相容性極佳

細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)證明，水凝膠可穩(wěn)定支持細(xì)胞黏附與擴(kuò)散，表面張力適中、無毒、無炎癥反應(yīng)。特別是在神經(jīng)元培養(yǎng)中，細(xì)胞軸突可穿越水凝膠表面，實(shí)現(xiàn)真實(shí)生理連接。

3. 組織整合與愈合輔助

在動物模型中，該水凝膠貼敷于皮膚或神經(jīng)組織表面，可穩(wěn)定黏附達(dá)7天以上，組織無排異反應(yīng)，且促使傷口閉合速率提升約35%。這說明其不僅“兼容”，更具“促合”效應(yīng)。

4. 力學(xué)與穩(wěn)定性表現(xiàn)優(yōu)越

• 延展性：拉伸可至原長4.7倍不斷裂；

• 柔順性：模量接近軟組織；

• 離子導(dǎo)通性：在應(yīng)變下保持80%以上電導(dǎo)率；

• 無需膠粘劑，即可在潮濕組織表面實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定粘附。

方案1.非平衡水凝膠的無縫自生長的示意圖

圖1. PT-BP-Ca2+自生長水凝膠的各種應(yīng)用

圖2. PT-BP-Ca2+水凝膠自生長的機(jī)制

圖3.自愈合水凝膠和自生長水凝膠中的細(xì)胞遷移

圖4.接種癌細(xì)胞的水凝膠的體內(nèi)自生長增強(qiáng)了大鼠模型中的巨噬細(xì)胞浸潤

總結(jié)

本研究的核心創(chuàng)新在于將“非平衡態(tài)”作為設(shè)計原理，引入到水凝膠材料體系中，成功構(gòu)建出一種仿自然系統(tǒng)的功能界面。這種方式區(qū)別于傳統(tǒng)“結(jié)構(gòu)穩(wěn)定優(yōu)先”的思路，而是利用離子梯度與滲透動力學(xué)維持材料的活性狀態(tài)，從而使其具備動態(tài)的適應(yīng)能力與生物可融合性。這一策略突破了常規(guī)水凝膠在“相容性 vs. 強(qiáng)度”上的矛盾，實(shí)現(xiàn)了力學(xué)柔軟、界面黏附和電信號通導(dǎo)的三重平衡，在構(gòu)建智能組織工程界面材料、軟體植入器件和下一代仿生界面材料方面具有巨大潛力。特別值得強(qiáng)調(diào)的是，其制備方法簡便、無需交聯(lián)劑，兼具實(shí)驗(yàn)室操作性與實(shí)際轉(zhuǎn)化可能性，標(biāo)志著水凝膠仿生應(yīng)用向“類生命融合”邁出了重要一步。