在生物医学领域，水凝胶因其独特的生物相容性和可调节的力学性能，已成为组织工程和细胞治疗的理想材料。然而，传统水凝胶在模拟细胞外基质（ECM）的力学特性时，往往面临应力松弛速率较慢和长期
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稳定性不足的问题。尽管通过调整水凝胶支架的孔隙大小可以很容易地模拟体内的生理刚度，但对于多孔水凝胶支架的黏弹性特性仍缺乏研究，并且如何在不牺牲
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稳定性的情况下实现与组织相似的快速应力松弛，一直是研究的难点。基于此，美国哈佛大学的David J. Mooney教授采用了一种创新的注射混合技术制备了具有多孔结构的海藻酸盐水凝胶，其应力松弛速率比传统水凝胶高出一个数量级，同时保持良好的力学稳定性，并能有效促进细胞的铺展和迁移，从而
揭示了多孔水凝胶的孔隙率与应力松弛速率之间的关系，也为设计新型生物材料提供了理论依据。
首先，研究者通过在海藻酸盐水凝胶
构建
的离子交联阶段引入空气泡，并通过加入牛血清白蛋白以稳定多孔结构，构建具有稳定多孔结构的海藻酸水凝胶，
然后
通过真空脱气将空气泡替换为细胞培养基（图1A）。结果显示，水凝胶呈现显示均匀分布的气孔结构，平均孔径约为75微米（图1B-E）。
通过检测多种水凝胶的力学性能，研究者发现，相比于传统的块状水凝胶，多孔水凝胶的杨氏模量显著降低，
但
表现出显著提高的应力松弛速率，且这种特性在高分子量和低分子量的海藻酸盐中均能实现（图2）。
接着，
研究进一步探讨了孔隙率和BSA浓度对水凝胶力学性能的影响。结果表明，增加孔隙率和BSA浓度均能降低水凝胶的杨氏模量并提高应力松弛速率（图3）。
研究者还评估了多孔水凝胶对细胞行为的影响。实验发现，相比于传统的块状水凝胶相比，多孔水凝胶中细胞球体的面积和圆度显著增加，表明细胞迁移能力增强（图4A，B），并且多孔水凝胶中细胞球体的G1期细胞比例增加，表明细胞周期进程加快（图4C，D）。上述结果表明，多孔水凝胶中的细胞球表现出显著升高的增殖和迁移能力。
最后，为了深入理解孔隙率和黏弹性对细胞行为的影响，研究者还开发了一个基于粒子的计算模型。该模型预测结果与实验观察一致，模拟结果显示多孔水凝胶中细胞球体的体积增加和圆度降低（图5B，C），并且细胞迁移比例和迁移距离随孔隙率增加而显著提高（图5D，E），表明多孔水凝胶可以通过改变力学特性和提供迁移空间，显著促进了细胞的扩张和迁移。
综上所述，研究者采用了一种创新的注射混合技术，制备了一种具有多孔结构的海藻酸盐水凝胶，这种高分子量多孔水凝胶有望在模拟天然组织的力学特性和促进细胞行为方面发挥重要作用。该研究不仅揭示了多孔水凝胶的孔隙率与应力松弛速率之间的关系，也为设计新型生物材料提供了理论依据。
本研究由哈佛大学的David J. Mooney教授完成，并于2024年11月发表于PNAS。
文献信息：Bryan A. Nerger, Kirti Kashyap, Brendan T. Deveney, Junzhe Lou，Blake F. Hanan, Qi Liu, Andrew Khalil, Tenzin Lungjangwa, Maria Cheriyan, Anupam Gupta, Rudolf, David A. Weitz, L. Mahadevan, and David J. Mooney*. Tuning porosity of macroporous hydrogels enables rapid rates of stress relaxation and promotes cell expansion and migration.
PNAS
.2024,
e2410806121.
供稿：于启帆
审校：朱彩虹
编辑：曹天宇
