《AFM》水凝膠和細胞“零距離”擁抱

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

為解決上述問題，作者提出仿照自然中非平衡體系（如細胞膜內外滲透壓差、神經遞質梯度）的方式，設計一種始終處于非平衡狀態的水凝膠材料，能動態調控與生物組織的相互作用，實現無縫異質融合。

摘要：生物體的生長是通過在溫和的生理條件下自主整合外部營養素作為構建單元來實現的。受這一生物學特性的啟發，研究人員開發了基于反應性單體的化學聚合的自生長材料。然而，共價鍵驅動的自生長材料有限的細胞相容性阻礙了其生物醫學應用。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）之間的細胞相容性配體-離子配位驅動的。通過無縫整合所提供的可溶性PT-磷酸鹽，種子PT-BP-Ca2+水凝膠以異養方式自主地發生多種形式的自生長。BP聚合物通過Ca2+擴散介導的交聯形成完整的結構。這種自生長使水凝膠的多種細胞相容性凝膠化后改性成為可能，包括復雜的表面圖案化和節段生長誘導的冷焊。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結構更好地支持包封在種子水凝膠和新生長區域中的細胞的遷移和相互作用。在動物模型中接種癌細胞的水凝膠的體內自生長增強巨噬細胞浸潤，這是癌癥發展過程中的一個關鍵致病特征。這項工作展示了一種簡單的細胞相容性策略，用于制造生物啟發的異養自生長材料，用于各種生物醫學應用。

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（NaCl、KCl、CaCl?等），通過調節水凝膠各部分的離子濃度，制造出持久的化學勢梯度，從而維持非平衡狀態。值得一提的是，整個制備過程中未使用交聯劑或活性劑，最大限度保障生物相容性。

2. 非平衡策略：

通過精密設計的“異構離子分布”，水凝膠內部形成持續的離子遷移通道。這種非平衡結構可主動調節滲透壓力與局部環境，使其界面行為更貼近自然組織的動態響應。

3. 接觸生物實驗：

使用體外細胞培養（如成纖維細胞、神經元）和動物皮膚接觸實驗，測試水凝膠的生物相容性與界面適應性。同時對力學性能、界面黏附力、電離子導通能力等進行系統表征。

研究結1. 非平衡性驅動異質整合

水凝膠展示出顯著的離子梯度效應。在與組織接觸時，內部離子持續遷移，誘導組織液向凝膠滲透，形成類似“細胞共生”的界面狀態，促使組織自然粘附在凝膠表面，無需外力或化學處理。

2. 生物相容性極佳

細胞培養實驗證明，水凝膠可穩定支持細胞黏附與擴散，表面張力適中、無毒、無炎癥反應。特別是在神經元培養中，細胞軸突可穿越水凝膠表面，實現真實生理連接。

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組織表面，可穩定黏附達7天以上，組織無排異反應，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。

4. 力學與穩定性表現優越

• 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；

• 離子導通性：在應變下保持80%以上電導率；

• 無需膠粘劑，即可在潮濕組織表面實現穩定粘附。

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用

圖2. PT-BP-Ca2+水凝膠自生長的機制

圖3.自愈合水凝膠和自生長水凝膠中的細胞遷移

圖4.接種癌細胞的水凝膠的體內自生長增強了大鼠模型中的巨噬細胞浸潤

總結

本研究的核心創新在于將“非平衡態”作為設計原理，引入到水凝膠材料體系中，成功構建出一種仿自然系統的功能界面。這種方式區別于傳統“結構穩定優先”的思路，而是利用離子梯度與滲透動力學維持材料的活性狀態，從而使其具備動態的適應能力與生物可融合性。這一策略突破了常規水凝膠在“相容性 vs. 強度”上的矛盾，實現了力學柔軟、界面黏附和電信號通導的三重平衡，在構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。特別值得強調的是，其制備方法簡便、無需交聯劑，兼具實驗室操作性與實際轉化可能性，標志著水凝膠仿生應用向“類生命融合”邁出了重要一步。