大家好！今天来了解一篇动态水凝胶研究——《Synthetic, multi-dynamic hydrogels by uniting stress-stiffening and supramolecular polymers》发表于《SCIENCE ADVANCES》。我们都知道，生物体内的聚合物动态过程对其功能实现至关重要，可当前合成系统大多只能捕捉单一动态过程。现在，将应力刚化聚合物与超分子聚合物相结合，试图创造多动态水凝胶。那他们成功了吗？这种水凝胶又有怎样独特的性能？让我们一同走进这项研究去寻找答案吧！
*本文只做阅读笔记分享*
一、研究背景
（一）生物体系中聚合物的动态过程
在自然界中，生物聚合物的动态过程对生物功能的实现至关重要。以细胞内的纤维结构为例，动态微管纤维受到肌动蛋白和中间纤维的保护，从而能够适应更高的压缩力。在细胞外，透明质酸与胶原纤维相互作用，透明质酸的动态特性增强并对刚性的胶原纤维产生应力，促使线性刚度增加，提高了网络抵抗破裂的能力（最大应力σmax增加）。这些动态过程涵盖了分子动力学（如单体交换）、应力松弛以及应力刚化等多个方面，且在不同生物聚合物间相互作用，共同维持生物体内的正常生理功能。然而，一旦这些动态过程失调，就可能引发如阿尔茨海默病等疾病。
（二）合成水凝胶的现状与挑战
目前，合成水凝胶在模拟生物网络方面存在一定的局限性。单组分水凝胶虽然能够展现出多模式的松弛动力学，但这些动态过程无法独立调节。例如，一些合成水凝胶中的动态过程如肽两亲物中的快速分子动力学、纤维蛋白中的应力刚化事件以及胶原蛋白中的应力松弛等，各自独立存在，难以进行针对性的调控。与之相比，合成超分子聚合物由于在不同长度尺度上具有内在动力学，成为一种有潜力的仿生水凝胶材料，但现有的合成系统大多只能捕捉单一的动态过程。不过，双组分网络的研究为创造更复杂、功能更接近生命体系的材料带来了新的机遇，使得在单一水凝胶中整合多种期望的特性成为可能。
二、实验设计
（一）材料组合策略
本研究选取合成的共价应力刚化聚合物聚异氰化物（PIC），并将其与两种不同的超分子单体相结合。其中，脲基嘧啶酮（UPy）单体能够形成特定结构的纤维，其在1小时内的单体交换率为10%，应力松弛半衰期（τ1/2）超过1000秒；苯三甲酰胺（BTA）单体则可形成双螺旋纤维，1小时内单体交换率达到35%，τ1/2约为200秒。通过将PIC分别与UPy和BTA进行组合，构建了双组分网络，进一步探索三者组合形成的三组分网络，旨在深入研究不同组合方式对水凝胶性能的影响。
（二）实验技术手段
为全面深入地研究水凝胶的特性，研究团队运用了多种先进的实验技术。荧光显微镜技术用于观察水凝胶网络的微观结构，清晰地展示了PIC与UPy形成的重叠网络（Pearson相关系数r=0.77）以及PIC与BTA形成的相分离网络（r=-0.51），并能直观地看到BTA位于PIC的孔隙中。
流变学测量在探究水凝胶力学性能方面发挥了关键作用，通过该技术可以精确获取线性剪切模量G’和非线性应力刚化行为等重要参数，为理解水凝胶在受力状态下的力学响应提供了有力的数据支持。
荧光恢复实验（FRAP）则专注于检测网络的动态特性，通过对荧光标记分子的观察，能够实时追踪分子在网络中的运动和交换情况，从而揭示网络的动态变化过程。此外，细胞培养实验结合牵引力显微镜（TFM）技术，从细胞层面深入研究细胞与水凝胶之间的相互作用，通过观察细胞在水凝胶上的生长、形态变化以及对水凝胶的牵引力作用，全面评估水凝胶的生物相容性和功能性。
三、实验结果
（一）网络结构的显著差异
1、结构形态对比
实验发现，PIC+UPy组合形成的网络呈现出明显的重叠结构，而PIC+BTA组合则形成相分离结构，BTA位于PIC的孔隙之中。从孔隙尺寸来看，PIC+UPy网络的孔隙大小（2.0μm）约为PIC+BTA网络孔隙（1.2μm）的两倍，这一差异表明两种组合方式在网络结构上存在本质区别。
2、模拟与实验的相互印证
这些实验观察结果得到了粗粒化（CG）分子动力学模拟的有力支持。模拟结果与实验数据高度吻合，进一步证实了PIC+UPy网络的强相互作用和重叠结构，以及PIC+BTA网络的弱相互作用和相分离结构。在模拟中，通过调整模型参数，可以清晰地看到网络结构的形成过程和相互作用方式，为实验结果提供了微观层面的理论解释。
（二）力学性能的变化规律
1、双组分网络的特性
在双组分网络中，PIC+UPy组合展现出独特的力学性能变化。其剪切模量G’从单一组分的20Pa显著增加到250Pa（提升约10倍），应力刚化起始应力（σc）升高，应力刚化指数（m）降低。通过改变UPy的浓度（c=0.08到0.48w/v%），发现剪切模量能够在一个数量级内进行有效调节（G’=100到1000Pa）。而PIC+BTA网络虽然在剪切模量上没有增加，但在最大网络强度（σmax）方面表现出显著的协同增强效应。该双组分凝胶在破裂前能够承受几乎两倍于单一组分的应力，且微分剪切模量K’可达到其初始值的500倍之多。并且，σmax能够通过改变BTA的浓度（c=0.1到0.6w/v%）在80到160Pa之间进行灵活调节。
2、三组分网络的协同性能
三组分的PIC+UPy+BTA网络整合了多种协同性能，其线性刚度明显增加（G’=200Pa，主要归因于UPy的作用），同时由于最大应力的提升（σmax =170Pa，得益于BTA的贡献），应力刚化范围得到有效扩展。此外，该三组分网络的应力松弛行为与PIC凝胶相似（τ1/2≈100秒），这种独特的性能组合仅在特定的三种聚合物组合中出现，体现了各组分之间的协同作用和相互影响。
（三）动态特性的表现差异
1、单组分与双组分网络的动态性
在单组分网络中，BTA组装体的分子动力学明显比UPy更快，在凝胶水平上也表现出更强的动态性。通过FRAP实验在50μm长度尺度上的检测结果显示，BTA的荧光恢复率为30%，而UPy仅为10%。
在双组分系统中，PIC+BTA网络继承了BTA的快速动态特性，无论是在局部长度尺度（通过FRAP测量）还是整体（通过应力松弛测量，τ1/2=400秒，而PIC+UPy的τ1/2>1000秒），都展现出比PIC+UPy网络更强的动态性能。
2、动态特性对网络功能的影响
这种动态特性的差异对网络的功能产生了重要影响。例如，在细胞培养实验中，网络的动态性与细胞的行为密切相关。细胞在动态性较低的PIC+UPy(+cRGD)凝胶中能够更好地粘附、伸展和变形网络，而在动态性较强的PIC+BTA(+cRGD)凝胶中则呈现出圆形形态，对网络的影响较小。这表明网络的动态特性在细胞-材料相互作用中起着关键的调节作用。
（四）细胞响应的实验观察
1、细胞在双组分网络中的行为
细胞在PIC+UPy(+cRGD)凝胶中展现出积极的响应行为，能够有效地粘附并形成长而细长的形态，平均位移达到3.9μm。这表明细胞在该凝胶环境中能够产生足够的牵引力，与凝胶网络形成良好的相互作用。相反，在PIC+BTA(+cRGD)凝胶中，细胞呈现出圆形形态，对网络的位移较小（2μm），这说明细胞在该凝胶中的铺展能力受到限制。
2、三组分网络中的细胞形态与机制
在三组分网络中，细胞的行为表现更为复杂。当cRGD包含在坚固的UPy纤维中时，细胞能够正常铺展；而当cRGD包含在更动态的BTA纤维中时，细胞则无法铺展。细胞在三组分网络中的形态与双组分网络明显不同，表现为更圆且具有许多突起。研究发现，这可能与三组分网络的应力松弛增加（70%恢复，τ1/2=100秒，而双组分系统的τ1/2>1000秒）、应力敏感性更高（应力刚化起始应力更低，为10Pa，而双组分系统为17Pa）以及网络密度更高等因素有关。通过添加ROCK抑制剂的实验进一步表明，YAP和ROCK在细胞的机械转导途径中存在一定关系，且这种关系受到多种细胞因素的影响，呈现出复杂的相互作用。
四、研究结论
（一）多动态水凝胶的关键特性
本研究成功合成了一种创新的多动态水凝胶，通过巧妙地将应力刚化聚合物与超分子聚合物相结合，有效地模拟了多种生物相关的动态过程。在这个过程中，超分子聚合物的分子动力学成为决定水凝胶性能的关键因素。它不仅控制着与共价聚合物的相互作用强度，还深刻影响着混合网络的（非线性）机械、结构和动态性能。这种独特的多动态水凝胶在模拟自然界生物材料的复杂性方面取得了重要进展，为生物医学材料领域的发展提供了新的思路和方向。
（二）细胞实验的重要启示
细胞生长实验清晰地证明了该水凝胶中不同时间尺度的生物相关性。特别是分子动力学对细胞铺展的控制作用显著，它同时影响着整体和非线性刚度以及动态配体的呈现。这一发现为未来的研究指明了方向，即进一步探索如何精确地向细胞靶向递送生物活性信号，从而实现对特定细胞反应的优化。这将有望推动多动态水凝胶在组织工程、再生医学等领域的广泛应用，为解决相关生物医学问题提供更有效的解决方案。
五、一起来做做题吧
1、在生物体内，以下关于聚合物动态过程的描述正确的是（ ）
A. 细胞内动态微管纤维主要负责产生应力刚化
B. 细胞外透明质酸仅起到填充细胞外基质的作用
C. 这些动态过程失调可能引发疾病，如阿尔茨海默病
D. 分子动力学、应力松弛和应力刚化等动态过程相互独立，互不影响
2、与合成超分子聚合物相比，单组分水凝胶在模拟生物网络方面的主要局限是（ ）
A. 无法形成稳定的网络结构
B. 多模式松弛动力学不可独立调节
C. 不具有内在动力学
D. 不能用于细胞培养实验
3、本研究中构建双组分网络选择的材料组合是（ ）
A. PIC 与 UPy、PIC 与 BTA
B. UPy 与 BTA、PIC 与 UPy
C. BTA 与 PIC、BTA 与 UPy
D. 仅 PIC 与 UPy
4、在本研究中，用于观察网络结构的实验技术是（ ）
A. 流变学测量
B. 荧光恢复实验（FRAP）
C. 荧光显微镜
D. 细胞培养实验
5、PIC + UPy 网络与 PIC + BTA 网络在结构上的主要区别是（ ）
A. PIC + UPy 网络孔隙更大，且为重叠网络；PIC + BTA 网络孔隙较小，为相分离网络
B. PIC + UPy 网络孔隙更小，且为相分离网络；PIC + BTA 网络孔隙较大，为重叠网络
C. 两者孔隙大小相同，但 PIC + UPy 网络为重叠网络，PIC + BTA 网络为相分离网络
D. 两者孔隙大小相同，且均为重叠网络
6、在双组分网络中，关于 PIC + BTA 网络力学性能的描述正确的是（ ）
A. 剪切模量增加，最大网络强度不变
B. 剪切模量不变，最大网络强度增强
C. 剪切模量和最大网络强度均增加
D. 剪切模量和最大网络强度均不变
7、在单组分网络中，分子动力学更快的是（ ）
A. UPy
B. BTA
C. PIC
D. 无法比较
8、细胞在 PIC + UPy (+cRGD) 凝胶中的主要行为表现是（ ）
A. 保持圆形，对网络位移小
B. 能够粘附、伸展和变形网络
C. 完全不能与网络相互作用
D. 细胞会死亡
9、本研究合成的多动态水凝胶的关键特性是（ ）
A. 仅具有单一的动态性能
B. 分子动力学对其性能无影响
C. 能重现自然界的复杂性，分子动力学决定与共价聚合物的相互作用强度
D. 与生物体内的水凝胶完全相同
10、根据研究，未来工作的方向可能是（ ）
A. 停止对多动态水凝胶的研究
B. 仅研究水凝胶的力学性能
C. 探索向细胞靶向递送生物活性信号
D. 只关注水凝胶的合成方法
参考文献：
Laura Rijns et al. Synthetic, multi-dynamic hydrogels by uniting stress-stiffening and supramolecular polymers. Sci. Adv. 10, eadr3209(2024).
