多伦多大学Eugenia Kumacheva Nat. Rev. Mater.：仿生纤维水凝胶的设计与应用

【引言】

细胞外基质（ECM）的丝状结构影响细胞生长和表现，赋予组织独特的作用。人造纤维水凝胶仿ECM的丝状和性质，可作为3D细胞培养和组织的支架。不同的纳米原纤水凝胶，具有不同的组装机制、物理性质和应用。人造纤维水凝胶是亚水凝胶，具有仿ECM的丝状的结构和可调的精度。水凝胶的原纤维决定了它们的机械性能、孔径和运输性能。但是结构、生物和物理性质、粘附配体的组织和细胞与ECM相互作用非常复杂，原纤维形态并不足以模拟体内ECM的所有性质。仿生纤维水凝胶将分子或纳米胶体结构单元分级组装成原纤维，然后进行成束、分支，交联和/或缠结而形成水凝胶。本综述中，讨论了原纤维水凝胶的设计、类型、结构、各向异性、化学功能化，性质和应用。自下而上方法制备的水凝胶，分子或纳米颗粒结构组装成丝状水凝胶的原纤维；研究天然ECM的纤维成分，模仿水凝胶基质中ECM结构的重要性；分析不同类型的结构单元和组装机理；比较仿生纤维水凝胶的结构和性质。

【成果简介】

近日，加拿大多伦多大学的Eugenia Kumacheva（通讯）作者等人，探讨仿生人造纳米纤维水凝胶的设计和性质；讨论肽、嵌段共聚物蠕虫状胶束和丝状纳米粒子组装成纤维水凝胶；研究结构与物理和生化特性之间的关系；研究3D细胞培养和组织工程的潜在应用；比较天然和人造纤维水凝胶的性质和结构。最后，评估当前的挑战和该领域的未来方向。相关成果以“Design and applications of man-made biomimetic fibrillar hydrogels”为题发表在Nature Reviews Materials上。

【图文导读】

图 1 纳米原纤维细胞外基质

（a）体内细胞外基质（ECM）纤维的图像：上图，小鼠主动脉外膜中弹性纤维的SEM）图像；中图，胶原水凝胶中胶原纤维的SEM图像；下图，细胞衍生的3D基质中免疫荧光染色的纤连蛋白的共聚焦显微镜图像。

（b）原纤维结构对力学传导和生长因子信号传导的影响。

图 2 人造纳米纤丝水凝胶的组装示意图

（a）纤维状水凝胶通过分子结构单元和纳米颗粒组装示意图；

（b）水凝胶形成的不同机制是缠结，分支和纤维或原纤维的结合。

图 3 分子结构单元组装纤维状水凝胶

（a）肽组装成纤维和水凝胶的示意图，及其水凝胶的SEM图像；

（b）嵌段共聚物组装成蠕虫状胶束、缠结形成纤维状水凝胶示意图，及其胶束的TEM图像。

图 4 胶体颗粒组装纤维状水凝胶的示意图及其SEM表征

（a）丝状胶体纳米颗粒（NP）凝胶化的三种方法：上图，将胶凝聚合物接枝到NP表面，SEM显示由接枝有聚的纤维素纳米晶体形成的水凝胶；中图，未经修饰的NPs直接凝胶化，SEM图像显示在50 mM Sr²⁺离子溶液中，纤维素纳米晶体凝胶化水凝胶；下图，纤维素纳米晶体与胶凝聚合物的混合，SEM图像显示纤维素纳米晶体-明胶水凝胶；

（b）纤维素纳米晶体，几丁质纳米晶体和纤维素纳米纤维的凝胶化示意图。

图 5 纤维状水凝胶的各向异性

（a）各向异性原纤维基质内接触影响细胞生长，导致细胞排列并促进细胞-细胞接触的形成；

（b）在凝胶化过程中将水凝胶前体溶液暴露于定向剪切，电场或磁场，实现纤维排列示意图。

图 6 纤维水凝胶的结构和性质

（a）水凝胶结构和机械性能之间的关系图；

（b）对于β-发夹肽水凝胶和分子水凝胶，蓝线表示纤维状水凝胶的G'的预测比例的预测比例关系，绿线表示分子水凝胶的预测比例关系；

（c）纤维水凝胶的运输性质示意图；

（d）配体/生长因子的原纤维的生化功能化示意图。

【小结及展望】

纤维水凝胶是组织工程、再生医学和3D细胞培养的优秀支架，可以制成类似体内ECM的机械性质和改善的质量传递。纤维状水凝胶可以用生长因子和细胞粘附配体功能化。纤维状水凝胶的各种构建块：包括肽、嵌段共聚物和丝状纳米颗粒，实现多种应用。

（1）纤维状水凝胶的机械性质对细胞生长和表型的影响的大多数研究都集中在弹性模量上，忽略了粘弹性行为。纤维水凝胶尚未探索应力松弛及其对细胞行为的影响。迄今为止，纳米结构对应力松弛的影响以及纤维水凝胶的粘弹性，如何影响细胞表型和生长仍然是难以捉摸的。另外，纤维凝胶的非线性应变硬化行为也需要进一步研究。

（2）纤维状水凝胶胶化机制与性质之间的关系。纤维状ECM蛋白的粘弹性和力学性质的模拟，分析了结构和材料性质的相关性。类似地，建模方法也可以模拟人造纤维水凝胶的结构-性质关系。

（3）水凝胶具有扩散各向异性。人造纤维水凝胶的各向异性还未被研究，高度纤维排列的胶原纵向扩散系数高于横向上的系数。这种作用可能影响药物和纳米药物向体内特定位置的递送。

（4）动态纤维水凝胶可以更好地模拟体内ECM的性质。动态纤维水凝胶可以解决凝胶内的光散射问题，使光学显微镜的细胞表征变得困难。动态纤维水凝胶可以模拟ECMs行为，胶原纤维在不同发育阶段和不同疾病中被降解、合成和重塑。

（5）3D生物打印模拟水凝胶和复杂架构的人造组织，探索制备方法对纤维的排列和各向异性水凝胶的复杂的结构，用于组织工程和药物开发的体外模型，用于药物筛选和基础生物学研究。

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

本文由材料人编辑部张金洋编译整理。

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