由于其獨(dú)特的化學(xué)和物理特性，水凝膠近年來在基礎(chǔ)研究和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中受到越來越多的關(guān)注。從水凝膠廣義的定義來說，人體軟組織的天然細(xì)胞外基質(zhì) (ECM)是通過千萬年生物進(jìn)化所形成的最佳性能的生物醫(yī)藥水凝膠。很多軟組織ECM（如軟骨、皮膚、韌帶等） 不但具有極為優(yōu)秀的宏觀生物力學(xué)性能，可以承載高強(qiáng)度的生物力學(xué)荷載，同時(shí)還兼具良好的微觀結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性質(zhì)，可以有效支持細(xì)胞在ECM三維環(huán)境中的增殖、遷移、組裝、分化、發(fā)育等各項(xiàng)細(xì)胞行為。盡管經(jīng)典的、具有靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)的水凝膠已經(jīng)在幾十年見被廣泛報(bào)告，但最近研究表明，結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)水凝膠可以更好地模擬人體組織中天然細(xì)胞外基質(zhì) (ECM) 的動(dòng)態(tài)特性與功能。但是由于需要維持細(xì)胞活性的考量，現(xiàn)有的可負(fù)載細(xì)胞的水凝膠力學(xué)性能普遍較弱。水凝膠的宏觀力學(xué)性能和其微觀的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性質(zhì)看似是一對(duì)相互矛盾的設(shè)計(jì)要求，因此開發(fā)兼具宏觀穩(wěn)定性與微觀結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性的水凝膠服務(wù)于基礎(chǔ)及轉(zhuǎn)化生物醫(yī)學(xué)研究是水凝膠研究的重要的挑戰(zhàn)之一。

近日，美國約翰霍普金斯大學(xué)谷洛（Luo Gu）教授和華南理工大學(xué)邊黎明教授團(tuán)隊(duì)在Chemical Reviews期刊上發(fā)表了題為Structurally Dynamic Hydrogels for Biomedical Applications: Pursuing a Fine Balance between Macroscopic Stability and Microscopic Dynamics的綜述文章，介紹了動(dòng)態(tài)水凝膠性能的總體預(yù)期與設(shè)計(jì)原則，著重強(qiáng)調(diào)了其宏觀穩(wěn)定性與微觀動(dòng)態(tài)性之間的良好平衡。本文總結(jié)了動(dòng)態(tài)水凝膠設(shè)計(jì)與制備方式的最新進(jìn)展，包括從降解依賴性策略到降解非依賴性策略的發(fā)展、不同凝膠體系的特性及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上討論了動(dòng)態(tài)水凝膠研發(fā)與應(yīng)用中尚存的挑戰(zhàn)與新趨勢(shì)。

首先，軟組織ECM的微觀動(dòng)態(tài)性是細(xì)胞鋪展、遷移、增殖、分化等正常生命活動(dòng)的基礎(chǔ)。在人體中，包括腦、肝臟在內(nèi)的許多重要器官與組織在力學(xué)上都表現(xiàn)出應(yīng)力松弛、蠕變等動(dòng)態(tài)特性。從微觀角度來看，不同聚合物鏈之間可逆相互作用的瞬時(shí)破壞與重建通常被認(rèn)為是ECM重組和產(chǎn)生粘彈性行為的物質(zhì)基礎(chǔ)。ECM這些微觀結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)對(duì)所包含細(xì)胞的增殖、遷移、分化、發(fā)育等各項(xiàng)細(xì)胞行為有重要的調(diào)控作用。因此，利用動(dòng)態(tài)水凝膠中重現(xiàn)這種動(dòng)態(tài)微觀結(jié)構(gòu)對(duì)于模擬 ECM的功能至關(guān)重要。同時(shí)，很多軟組織（如軟骨、皮膚、韌帶等）的ECM都具有非常優(yōu)良的力學(xué)性質(zhì)，可以承擔(dān)高強(qiáng)度的反復(fù)生物力學(xué)載荷。從水凝膠功能的角度來講，動(dòng)態(tài)水凝膠在體外培養(yǎng)或植入體內(nèi)后，需要在一定時(shí)間內(nèi)保持整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及一定的力學(xué)強(qiáng)度以維持其特定功能。材料的宏觀整體穩(wěn)定性與微觀結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性這一對(duì)看似矛盾的特性卻在軟骨、皮膚等軟組織的天然ECM中同時(shí)得到了完美的呈現(xiàn)。因此，這也是以生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用為導(dǎo)向的動(dòng)態(tài)水凝膠仿生設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。此外，動(dòng)態(tài)水凝膠應(yīng)具有明確定義的化學(xué)成分，以提供穩(wěn)定、可重現(xiàn)的性質(zhì)。為確保水凝膠的安全應(yīng)用，相應(yīng)成分應(yīng)具有最小的細(xì)胞毒性和良好的生物相容性。此外，為應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)化應(yīng)用的需求，動(dòng)態(tài)水凝膠制備的成本、效益、以及規(guī)模化生產(chǎn)的可行性亦應(yīng)該得到考慮。

近年來，隨著對(duì)水凝膠動(dòng)態(tài)行為分子機(jī)制的不斷了解，研究者們開發(fā)了許多有前途的方法來制造水凝膠并調(diào)節(jié)其動(dòng)態(tài)特性，例如，通過調(diào)整聚合物結(jié)構(gòu)或交聯(lián)方法。根據(jù)水凝膠動(dòng)態(tài)性的來源不同，這些方法可以分為兩大類：降解依賴性策略以及降解非依賴性策略。前者主要包括水解、酶解、光響應(yīng)降解等，后者則涵蓋了動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵、離子（靜電）相互作用、動(dòng)態(tài)離子-配體相互作用、主-客體相互作用、動(dòng)態(tài)構(gòu)型變化、氫鍵等動(dòng)態(tài)相互作用。

在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面，由于其獨(dú)特的物理與生化特性，動(dòng)態(tài)水凝膠可以更好地提供細(xì)胞三維培養(yǎng)所需動(dòng)態(tài)微環(huán)境，并通過水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變或動(dòng)態(tài)相互作用實(shí)現(xiàn)生物活性分子的可控遞送，因而在細(xì)胞/類器官培養(yǎng)、體外腫瘤模型、組織工程、免疫調(diào)節(jié)和藥物遞送等方面均得到了廣泛的探索與應(yīng)用。

作者亦在本文中提出了動(dòng)態(tài)水凝膠的進(jìn)一步發(fā)展所面臨幾個(gè)挑戰(zhàn)和機(jī)遇：（1）需要進(jìn)一步研發(fā)動(dòng)態(tài)交聯(lián)策略，以拓寬水凝膠網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性的時(shí)間尺度。（2）考慮到動(dòng)態(tài)水凝膠的功能和應(yīng)用，其微觀動(dòng)態(tài)性和宏觀穩(wěn)定性應(yīng)該達(dá)到更好的平衡。（3）開發(fā)先進(jìn)的方法和技術(shù)將有助于在更高分辨率下實(shí)時(shí)表征水凝膠的動(dòng)態(tài)特性及其對(duì)相關(guān)細(xì)胞行為的影響。（4）需要簡化水凝膠制備過程并提升工藝穩(wěn)定性，從而促進(jìn)動(dòng)態(tài)水凝膠在基礎(chǔ)研究和臨床轉(zhuǎn)化中的廣泛應(yīng)用。

本文作者包括約翰霍普金斯大學(xué)張琨雨博士、重慶大學(xué)馮茜副教授（共同第一作者）、約翰霍普金斯大學(xué)博士生方志偉，通訊作者為約翰霍普金斯大學(xué)谷洛助理教授與華南理工大學(xué)邊黎明教授。

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.chemrev.1c00071

通訊作者簡介：

谷洛教授于2017年加入約翰霍普金斯大學(xué)，任材料科學(xué)與工程系助理教授。谷教授實(shí)驗(yàn)室著重研究細(xì)胞對(duì)微環(huán)境中力學(xué)與生化信號(hào)的感知與響應(yīng)，探索細(xì)胞力學(xué)信號(hào)傳導(dǎo)在組織再生、免疫治療和基因編輯的中的作用與意義，并由此啟示的新型生物材料的研發(fā)。

邊黎明教授2021年入職華南理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院，現(xiàn)任長江學(xué)者特聘教授。邊教授長期致力于發(fā)展先進(jìn)納米材料與水凝膠材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，并且逐漸建立了從基礎(chǔ)材料學(xué)，生物醫(yī)學(xué)研究到醫(yī)療應(yīng)用研究的多方向的深度研究。邊教授課題組近期在高水平學(xué)術(shù)期刊發(fā)表多篇論文。

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