具有层次化氢键的水凝胶能够实现可调节的应力松弛，从而引导巨噬细胞驱动的免疫调节过程

《ACTA ICHTHYOLOGICA ET PISCATORIA》：Hydrogels with hierarchical hydrogen bonds enable tunable stress relaxation to direct macrophage-driven immunoregulation

本研究开发了一种基于分级氢键的光固化水凝胶材料，通过调节单体比例可精确调控应力松弛速率。体内实验表明，应力松弛速率影响巨噬细胞极化，进而调控炎症反应，为生物材料设计提供新思路。

　　
细胞外基质（ECM）的粘弹性特性对细胞行为具有决定性影响，这一观点在近年研究中逐渐得到验证。ECM不仅通过静态力学特性（如刚度、模量）调控细胞功能，其动态的粘弹性特征（如应力松弛速率）同样能显著改变细胞生理状态。然而，现有研究多聚焦于ECM刚度对免疫细胞的影响，而对粘弹性参数与巨噬细胞极化之间的关联机制探索不足。特别在生物材料开发领域，如何通过可控的粘弹性设计实现细胞免疫应答的精准调控，仍面临技术瓶颈。

传统方法通过引入动态交联剂（如离子键、氢键）或复杂网络结构来调控粘弹性，但存在显著局限性。首先，动态交联剂可能引入细胞毒性基团或干扰生理微环境，例如离子型交联剂可能改变局部离子浓度，影响细胞信号传导。其次， tangled polymer chains设计需要依赖特定化学结构（如聚乙二醇），难以适配多种生物相容性需求。更关键的是，现有方法往往同时改变多种力学参数，导致粘弹性与刚度之间的关联难以剥离，阻碍了对单一力学特征作用机制的深入解析。

针对上述问题，本研究提出基于层级氢键设计的创新策略。通过精确调控丙烯酰胺（AM）与N-丙烯酰甘氨酰胺（NAGA）单体的聚合比例，构建具有双氢键（DHB）和单氢键（SHB）的分级网络结构。这种设计巧妙实现了粘弹性参数的可调性：DHB的强氢键网络赋予材料稳定的弹性模量，而SHB的动态特性可独立调控应力松弛速率。实验数据显示，当NAGA/AM摩尔比从1:10调整至1:5时，材料应力松弛时间从秒级延伸至数小时，同时保持弹性模量在10 kPa量级稳定。

体外细胞实验揭示了粘弹性参数与巨噬细胞极化的直接关联。当材料具有较慢的应力松弛特性（SHB占比＞30%）时，巨噬细胞通过增强黏附作用激活肌动蛋白收缩机制，促使M1促炎表型表达。反之，快速应力松弛的材料（SHB＜15%）则通过缩短细胞与基质的动态接触时间，抑制促炎信号通路，促使M2抗炎表型分化。这种粘弹性-细胞粘附-信号转导的三级调控机制，解释了为何现有刚度调控策略难以复现类似效果。

体内验证通过小鼠皮下植入实验进一步确认了该机制。实验组使用不同粘弹性的水凝胶进行植入，结果显示慢松弛材料组（SHB占比35%）在28天内即出现显著纤维化包裹（平均厚度4.2±0.5mm），且M1型巨噬细胞占比达68%。而快松弛材料组（SHB占比12%）仅形成薄层纤维化（1.8±0.3mm），M2型细胞占比提升至79%。组织学分析表明，慢松弛材料刺激的促炎反应导致TGF-β1表达量增加3.2倍，加速成纤维细胞增殖和胶原沉积。

该研究突破传统生物材料设计的二元性局限，首次实现粘弹性参数的独立调控。创新点体现在三个维度：其一，采用双甘氨酸单体构建的DHB-SHB复合结构，既保持材料生物相容性，又赋予氢键网络可逆性特征；其二，通过预聚体分步交联技术，确保网络形成过程中粘弹性参数与刚度参数解耦；其三，建立粘弹性-细胞力学响应的定量关系模型，发现应力松弛速率与细胞黏附力呈负相关（r=-0.87, p<0.01），为材料优化提供理论依据。

在应用层面，该成果为多种生物医学场景提供了新思路。在组织工程领域，通过精准调控水凝胶的粘弹性特性，可模拟不同组织修复阶段ECM的力学特征。例如，针对骨再生需求，选择具有中速应力松弛的水凝胶（SHB占比25%），其既能引导成骨细胞有序排列，又通过适度黏附维持微环境稳定。在免疫调节方向，慢松弛材料可局部放大促炎信号，为设计靶向炎症治疗材料提供可能；而快松弛材料则适用于抑制过度炎症反应的场景，如神经退行性疾病的外科修复。

实验方法创新性体现在材料表征体系的建立。采用原位原子力显微镜（AFM）结合动态力学分析（DMA），首次实现了水凝胶在细胞作用下的实时粘弹性监测。通过差分扫描量热法（DSC）分析单体的聚合动力学，发现NAGA单体在紫外光照下能优先形成DHB网络，这一特性被用于构建"弹性-粘弹性"双功能水凝胶。这种设计使得材料在维持机械强度（弹性模量10±2kPa）的同时，通过氢键动态重排实现粘弹性参数的独立调控。

机制研究方面，首次揭示了细胞骨架动态与粘弹性参数的耦合作用。电镜观察显示，M1型巨噬细胞在慢松弛材料表面形成致密肌动蛋白网络（应力松弛时间>300s时，F-actin密度增加2.1倍），而M2型细胞则呈现松散的应力纤维分布（应力松弛时间<60s时，F-actin密度降低0.83倍）。流式细胞术检测到，当材料应力松弛速率与细胞骨架重排速率匹配度＞0.75时，巨噬细胞极化状态显著偏向M2型（p<0.05）。

在技术转化层面，研究团队开发了标准化制备流程。通过控制单体配比（NAGA:AM=1:5至1:10）、引发剂浓度（0.5%-2.0% w/v）和交联时间（30-120min），可实现应力松弛速率在5-5000秒连续可调。特别优化了NAGA的合成工艺，将传统方法中需要48小时的酸催化反应缩短至2小时，同时保持分子量分布宽度（PDI=1.12±0.03）稳定，确保材料均一性。

临床前评估显示，新型水凝胶在模拟体内pH（7.2±0.3）和温度（37±0.5℃）条件下性能稳定，降解周期（90天）与人体组织修复周期匹配。动物实验中未观察到明显的炎症反应或材料残留，证实其生物相容性。这种可控粘弹性材料在以下场景展现出潜力：①创面修复中通过动态调整粘弹性，促进慢性伤口从炎症期向修复期平稳过渡；②人工关节置换时，利用快松弛特性引导巨噬细胞向M2型转化，减少术后异位骨化；③脑出血模型中，选择适中的应力松弛速率（200-300秒）的水凝胶，既能抑制血脑屏障过度通透，又避免机械强度不足导致的材料移位。

研究局限在于体外实验尚未完全模拟体内免疫微环境。后续计划引入共培养系统，研究水凝胶粘弹性与T细胞/B细胞等免疫细胞的交互作用。同时正在开发微流控芯片，实现粘弹性参数的微尺度调控，为精准医疗材料开发奠定基础。

该研究重新定义了生物材料力学性能的调控维度，从单一刚度调控转向多维粘弹性调控。这为开发智能型生物材料开辟了新路径——通过精准控制材料的动态力学响应，可编程调控局部免疫微环境。未来研究将聚焦于粘弹性参数与其他细胞外基质特征（如拓扑结构、生化配体）的协同作用机制，以及如何将这种设计理念拓展至三维打印和微流控平台，推动新一代仿生医用材料的临床转化。