可调粘弹性的生物正交双交联海藻酸盐-明胶水凝胶在心肌组织工程中的应用研究

推荐：研究人员针对心肌组织工程中缺乏模拟天然心肌细胞外基质动态粘弹性的水凝胶材料问题，开发了基于应变促进叠氮-炔环加成反应(SPAAC)和钙离子双交联的海藻酸盐-明胶水凝胶。该材料通过调节DBCO:叠氮摩尔比(0.5:1和1:1)实现1.5-7.6 kPa弹性模量调控，应力松弛时间(τ1/2)缩短至154-598秒，显著促进人心脏成纤维细胞(HCFs)铺展和不对称伸长，为心肌修复提供了新型仿生支架。

　　

心肌梗死后的组织修复面临重大挑战，现有治疗方法难以实现心肌细胞再生。心脏组织工程(CTE)领域长期受限于传统水凝胶材料无法模拟天然心肌细胞外基质(ECM)的动态粘弹性特性。虽然基质的弹性模量调控已取得进展，但心肌组织特有的应力松弛行为及其对细胞机械传感(mechanosensing)的影响长期被忽视。

为解决这一难题，来自都灵理工大学的研究团队在《Materials Today Bio》发表创新研究，开发出具有可调粘弹性的生物正交双交联海藻酸盐-明胶水凝胶。该研究通过将海藻酸盐(ALG)和明胶(GEL)功能化为叠氮化物(ALG-Az/GEL-Az)，再与四臂聚乙二醇二苯并环辛炔(4-arm-PEG-DBCO)通过SPAAC反应交联，并引入Ca²⁺离子二次交联，构建出AG_Click和AG_DC两大系列水凝胶。

研究采用流变学测试、扫描电镜等技术系统表征材料性能，通过人心脏成纤维细胞(HCFs)的2D/3D培养评估生物学效应。关键发现包括：DBCO:叠氮摩尔比为1:1的AG_Click(R1)水凝胶弹性模量达7.6 kPa，接近天然心肌组织；双交联使AG_DC(R0.5)应力松弛时间(τ_1/2)缩短至154秒；与纯弹性聚丙烯酰胺(pAAm)水凝胶相比，粘弹性水凝胶使HCFs铺展面积增加40%，并诱导特征性不对称伸长。

研究方法亮点包括：

1. 通过EDC/NHS化学将azido-PEG3-amine接枝到ALG/GEL的羧基上，实现10.98%-27.87%取代度
2. 采用频率扫描和应力松弛测试量化粘弹性参数
3. HCFs低密度培养结合图像分析量化细胞铺展行为
4. Live/Dead染色评估3D封装细胞存活率

研究结果揭示：
3.1节显示ALG-Az/GEL-Az成功合成，FTIR在2100 cm^-1处出现叠氮特征峰，UV证实74-81%的DBCO转化率。
3.2节证实：AG_Click(R1)凝胶时间仅112秒，弹性模量7.6 kPa；双交联使AG_DC(R0.5)的τ_1/2降低45%。SEM显示R0.5组孔隙更大(图S7)。
3.3节发现：AG_DC(R1)培养7天后HCFs存活率>85%，细胞铺展面积达940±460 μm²，显著优于弹性对照组(p<0.0001)。

该研究的突破性在于首次阐明心肌细胞对基质粘弹性的特异性响应规律，双交联策略既保持SPAAC反应的生物正交优势（无需催化剂、无副产物），又通过Ca²⁺动态交联精准模拟心肌ECM的应力松弛行为。研究为开发可注射心肌补片提供了新材料设计范式，其DBCO:叠氮摩尔比-力学性能调控模型对软组织工程具有普适指导意义。未来通过整合诱导多能干细胞(iPSCs)衍生心肌细胞，有望构建具有临床转化潜力的工程化心肌组织。