大家好！今天来了解超分子水凝胶文章——《Using Chemistry To Recreate the Complexity of the Extracellular Matrix: Guidelines for Supramolecular Hydrogel–Cell Interactions》发表于《Journal of the American Chemical Society》。在再生医学的舞台上，细胞外基质（ECM）如同神秘的指挥家，调控着细胞的命运之舞。超分子水凝胶，它宛如一位灵动的舞者，凭借独特的超分子相互作用，踏上模拟 ECM 复杂性的征程。从结构特性到与细胞的精妙互动，它正开启一扇通往精准再生医学的新大门，让我们一同探索其中的奥秘与无限可能。

*本文只做阅读笔记分享*

一、引言

（一）研究背景与挑战

化学的一个重大挑战是在复杂的自然中寻找灵感，尝试以简单的方式重现或超越自然。细胞外基质（ECM）作为一种复杂的生物大分子系统，为细胞提供环境并调节其行为。模拟ECM的结构、机械、生化和动态特性对生物医学应用意义重大，但这并非易事。化学家需要解读其分子蓝图，并转化为合成且可控的框架，以促进化学与生物学、材料与细胞之间的交流。

（二）细胞外基质的特性

1、组成与功能

ECM由蛋白聚糖（如由糖胺聚糖形成）和纤维蛋白（如胶原蛋白）等生物大分子组成。它为细胞提供物理支撑，调节细胞分化、增殖和命运，维持组织内稳态和细胞间通讯。例如，在胚胎发育过程中，ECM引导细胞迁移和组织形态发生。

2、重要特性

机械性能：不同组织的ECM因蛋白质浓度、种类和排列不同，刚度各异，如肺组织刚度约为1.9kPa，皮质骨则高达20GPa，且可能存在应力硬化等特殊机械响应。

生物活性：ECM中的生化信息通过与细胞表面受体（如整合素）相互作用影响细胞行为。整合素与ECM中的胶原蛋白、层粘连蛋白等结合，传递信号到细胞内，调控细胞的多种活动。

动态特性：ECM是高度动态的网络，主要由非共价相互作用维持，具有应力松弛和蠕变行为，其成分可被细胞重塑和降解，以适应生理需求。

（三）细胞-材料通讯

ECM与细胞间存在双向通讯，细胞影响和重塑ECM，ECM为细胞提供信息以调控其行为。这种动态交互为细胞创造了特定的时间尺度，设计与生物系统兼容的功能材料时，必须理解并匹配这些时间尺度。例如，在伤口愈合过程中，细胞与ECM相互作用，调节细胞迁移和组织再生。

（四）现有水凝胶作为ECM模拟物的现状

水凝胶是一类重要的生物材料，其高度水合的结构有利于细胞生长。天然水凝胶（如Matrigel、胶原蛋白）生物活性高，但重现性差；合成水凝胶可控性强，但生物活性和复杂机械性能难以实现；杂化水凝胶可平衡两者优缺点，但控制困难。传统共价交联水凝胶缺乏ECM的动态特性，而基于可逆交联的动态水凝胶（如超分子水凝胶）为模拟ECM带来新机遇。

二、超分子方法

（一）超分子相互作用的原理与优势

超分子相互作用是可逆的非共价键合，可形成超分子组装体或聚合物，具有动态、适应性和可调性，能通过引入生物活性基团调节功能，还可利用共聚和共组装调控配体呈现、纤维形态和机械性能，形成具有协同功能的分级复合物，以模拟ECM特性。

（二）基于超分子相互作用的生物材料分类

1、天然与工程组分中的超分子相互作用

藻酸盐基水凝胶：藻酸盐是线性多糖，可通过二价阳离子交联形成凝胶，如文献中提到的研究，通过共价偶联PEG可调节其性能，但藻酸盐本身不可降解且细胞粘附性有限。

杂交水凝胶：像牛血清白蛋白（BSA）网络与非共价吸附聚电解质增强的凝胶，具有强化和自愈等特性；胶原蛋白与透明质酸（HA）组合形成的复合水凝胶，HA可稳定胶原蛋白并改变应力硬化响应。

弹性蛋白样蛋白（ELPs）与重组蛋白：ELPs可通过改变氨基酸或组装条件调节机械性能，如通过特定序列设计实现细胞粘附信号的调控；重组蛋白用于制备水凝胶，可通过引入非经典氨基酸进行化学修饰，研究细胞-基质相互作用。

2、基于肽两亲物（PAs）和肽的超分子聚合物

PA的结构与功能：PAs由两亲性单元与肽序列组成，如IKVAV序列的PA通过疏水和亲水相互作用自组装成纤维网络，RADA序列的PuraMatrix商业产品可形成稳定β-片层结构。

自组装肽水凝胶（SAPHs）：如FEFEFKFK序列的SAPHs在特定条件下自组装成纳米纤维并形成凝胶，研究人员不断筛选短肽序列以探索其自组装能力。

3、基于小单体构建块的超分子聚合物

bola-两亲物体系：以基于互补双脲基序的材料为例，其通过调节PEG长度和脂肪族连接体大小来调控机械性能，可引入生物活性基团，且具有应力硬化行为。

BTA和UPy基超分子水凝胶：BTA单元经修饰后在水中形成双螺旋聚合物，改变结构参数可调控性能；UPy分子通过四重氢键自组装，引入相关基团后形成响应性水凝胶，调节参数可改变其机械和动态性能。

三、超分子水凝胶-细胞相互作用的设计原则

（一）水凝胶机械性能

1、局部与整体刚度

细胞对机械信号敏感，水凝胶的局部刚度（纳米至微米尺度）和整体刚度均影响细胞行为。通过原子力显微镜（AFM）测量，超分子UPy凝胶的局部刚度约为10kPa，且局部刚度不受整体刚度变化影响，但可能存在局部不均匀性。在二维培养中，软凝胶（约200Pa）的应力松弛影响细胞行为，快速松弛凝胶会阻碍细胞铺展，硬凝胶（>1kPa）中应力松弛服从于刚度；在三维培养中，软凝胶导致细胞聚集，约1kPa刚度时细胞-基质相互作用占主导，过高刚度则阻碍组织生长。

2、对细胞行为的影响机制

不同细胞类型对基质刚度的响应不同，例如成纤维细胞比上皮细胞对刚度变化的响应更“快”。这是因为细胞通过焦点粘附感受基质刚度，当基质松弛时间尺度与细胞的离合器结合和焦点粘附寿命相关，如基质松弛快于这些过程时，细胞铺展受影响；在硬基质中，粘度对细胞铺展影响减小。

（二）水凝胶生物活性

1、配体类型与浓度

细胞对配体的类型、浓度和呈现方式有响应。配体类型需与细胞表面受体匹配，如RGD序列靶向特定整合素，其环状版本因构象更接近天然配体而效果更佳。合成水凝胶常需超生理配体浓度，如在超分子水凝胶中，UPy-cRGD的有效浓度需达到1mM，低于100nM则细胞响应减弱。这可能是由于最小合成序列活性较低、空间位阻或配体在超分子系统中被“屏蔽”，导致其与受体结合效率降低。

2、配体呈现方式的重要性

配体在超分子纤维中的定位方式（随机分布或聚集）未知，目前通过DNA控制配体间距和价态，实现纳米精度的几何控制。多价配体可增加与受体的亲和力并促进受体聚类，在超分子水凝胶中，当有效配体浓度（）>5mol%时可观察到多价效应，促进细胞粘附。

（三）水凝胶动力学

1、分子与整体动力学

超分子系统在分子（单体交换）和整体（应力松弛）尺度上表现出动态行为。UPy基超分子纤维单体交换缓慢（约10%/小时），BTA基较快（约30-40%/小时），且两者的分子动力学与整体动力学相关，UPy凝胶应力松弛慢（≈1000s），BTA凝胶快（≈50s）。细胞铺展需要细胞粘附配体稳健整合在纤维内，否则细胞会拉出生物活性单体。

2、对细胞行为的影响

在二维培养中，软凝胶上慢应力松弛（≈1000s）对细胞铺展至关重要，快速松弛凝胶中的细胞呈圆形；在三维培养中，快速松弛凝胶（≈50s）有助于单细胞生长为多细胞类器官，而慢松弛凝胶可能阻碍细胞铺展和组织生长。这与其他研究结果一致，如Chaudhuri、Anseth等实验室的研究表明，动态水凝胶的应力松弛特性对细胞行为有显著影响。

四、超分子方法的局限性与考虑因素

（一）分级结构控制

控制超分子水凝胶的分级结构是关键，但自组装过程中的多态性是挑战。例如，胶原蛋白的不同组装形式（如I型和IV型胶原蛋白）具有不同性能，传统共价水凝胶通过加工步骤赋予分级信息，而超分子水凝胶需通过配方和加工条件控制形态，虽然困难，但新的分析工具和方法有望解决此问题。

（二）机械响应性与复杂机械性能

天然系统中机械响应性和复杂动态机械性能丰富，如胶原蛋白的酶解负荷依赖于施加的机械力，纤维蛋白的生物活性受机械应力调控。合成超分子系统中引入这些特性（如应力硬化）具有挑战性，虽有成功案例（如双脲基超分子聚合物），但未来仍需将超分子相互作用与机械响应元件结合，以开发更具仿生性能的材料。

（三）配体浓度与呈现

合成超分子水凝胶需超生理配体浓度，可能原因包括最小合成序列与天然配体的差异（如较低的值）及配体在纤维内的“屏蔽”。未来研究可致力于以预组织方式（如利用DNA）呈现配体，以降低所需配体浓度并提高生物活性。

（四）二级结构与生物活性

天然生物聚合物的二级结构（如α-螺旋和β-片层）对生物活性至关重要，合成水凝胶中需准确模拟。例如，最小化的合成配体可能缺乏关键氨基酸，影响其正确构象和生物活性，未来可通过控制肽类序列和结构实现二级结构的精准模拟。

（五）生物复杂性提升

为达到更高生物复杂性，可将多种短生物活性序列混合，但引入大分子基团（如蛋白质和碳水化合物）可能影响超分子纤维稳定性，这是未来研究的挑战之一，需要探索如何在不干扰纤维稳定性的前提下增加生物复杂性。

（六）时间尺度依赖性

材料的时间尺度依赖性（如应力松弛）需要在动力学和持久性之间取得平衡。应力松弛对细胞形态和功能有重要影响，不同系统中对其精确控制可调节细胞行为。从分子角度研究细胞-基质相互作用，有助于开发更先进的水凝胶系统，以更好地模拟ECM的动态特性。

五、未来展望

（一）材料方面

1、结合共价键与动态自组装

结合共价键与动态自组装可开发出具有优异性能的材料，如胶原蛋白的性能依赖于自组装和组装后的交联。在其他生物组装（如肌联蛋白、弹性蛋白、纤维蛋白）中也体现了共价和超分子相互作用的协同效应。未来研究可探索更多组合方式，以实现对材料性能的精准调控。

2、时空控制水凝胶性能

空间控制：通过引入生物活性信号梯度或局部控制配体浓度（如利用微凝胶），可实现对水凝胶性能的空间控制，为细胞提供更精确的微环境。

时间控制：在聚合物主链中引入刺激响应基团（如光或酶敏感基团），可随时间改变凝胶机械或生物活性性质，满足细胞在不同生长阶段的需求。

3、筛选与人工智能结合

采用筛选方法结合人工智能，可处理和评估大量材料组合对细胞结果的影响。目前该领域已在数据挖掘和优化策略方面取得初步进展，未来有望实现更高效的材料设计和优化。

4、非平衡信息处理与信号转导

合成设计的水凝胶在非平衡信息处理和信号转导方面存在挑战，未来可将细胞响应元件与非平衡组装相结合，构建真正的耗散系统，以更好地模拟生物体内的动态过程。

（二）细胞方面

1、生物学与合成材料的协同

利用合成生物学进展，将细胞作为化工厂合成生物材料，与化学设计相结合。例如，细胞可作为传感器和处理器创造智能材料，跨领域合作有助于开发出具有生物活性和适应性的先进材料。

2、细胞操作与相互作用机制研究

通过操作细胞表面受体、细胞膜流动性和下游信号，可深入了解细胞-材料相互作用机制。例如，使用抗体调节受体活性、药物调控膜流动性、抑制剂研究细胞收缩系统等，还可通过基因操作使细胞与目标特异性相互作用，为精准调控细胞行为提供依据。

（三）应用方面

1、再生医学

利用这些原则可在再生医学领域培养更复杂的活体组织，用于药物筛选或组织替代，为疾病治疗提供新的解决方案。

2、生物电子学

在生物电子学中，目前面临植入后保留时间和细胞特异性问题，细胞-材料相互作用规则有助于改进导电材料，使其更好地匹配生物组织特性，实现更有效的生理功能监测和疾病治疗。

3、免疫工程

免疫工程领域，生物材料策略可用于局部免疫调节，通过控制细胞-材料动力学实现对免疫系统的调控，在肿瘤、移植和传染病等方面具有巨大的应用潜力，有望开发出更有效的免疫治疗方法。

综上所述，超分子水凝胶在模拟细胞外基质复杂性方面具有巨大潜力，但仍面临诸多挑战。通过深入理解超分子水凝胶-细胞相互作用的设计原则，克服现有局限性，并结合未来发展的多种策略，有望开发出更先进的生物材料，为生物医学领域带来更多创新应用。

六、一起来做做题吧

1、以下关于细胞外基质（ECM）的描述，错误的是（ ）

A. ECM 主要由蛋白质和核酸组成

B. ECM 的机械性能在不同组织中有所差异

C. ECM 能调节细胞的分化和增殖

D. ECM 与细胞之间存在双向通讯

2、下列哪种材料不属于基于天然与工程组分中的超分子相互作用的生物材料？（ ）

A. 藻酸盐

B. 肽两亲物（PAs）

C. 弹性蛋白样蛋白（ELPs）

D. 牛血清白蛋白（BSA）网络增强凝胶

3、在超分子水凝胶中，关于细胞铺展的说法正确的是（ ）

A. 只与水凝胶的整体刚度有关

B. 快速应力松弛的凝胶有利于细胞铺展

C. 分子动力学缓慢（单体交换少）有利于细胞铺展

D. 与配体浓度无关

4、合成超分子水凝胶需要超生理配体浓度的原因不包括以下哪项？（ ）

A. 最小合成序列的活性较低

B. 配体在纤维内被 “屏蔽”

C. 提高材料的机械强度

D. 空间位阻影响配体与受体结合

5、以下哪项不属于超分子水凝胶在未来应用方面的发展方向？（ ）

A. 仅用于药物研发中的细胞培养

B. 改进生物电子学中的导电材料

C. 助力免疫工程中的局部免疫调节

D. 培养更复杂的活体组织用于再生医学

参考文献：

Rijns L, et al. Using Chemistry To Recreate the Complexity of the Extracellular Matrix: Guidelines for Supramolecular Hydrogel-Cell Interactions. J Am Chem Soc. 2024 Jul 3;146(26):17539-17558.