综述：调控基质：通过聚丙烯酰胺水凝胶揭示的力学生物学新进展

这篇综述系统总结了聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶在力学生物学研究中的最新进展，从二维静态弹性材料发展为可模拟细胞外基质（ECM）复杂特性的多功能平台。作者重点探讨了蛋白质微图案化、机械梯度、拉伸系统、DNA张力探针、粘弹性调控及三维微结构构建等技术创新，揭示了其对细胞迁移（durotaxis）、刚性感知（molecular clutch模型）和分化等过程的分子机制，为发育、癌症等疾病研究提供了新工具。

　　

摘要

过去30年间，聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶已成为模拟细胞外基质（ECM）力学特性、化学组成和维度的核心工具。近期技术革新将其从简单的二维静态弹性材料升级为复杂ECM模拟系统，涵盖蛋白质微图案化、机械图案化、拉伸装置、DNA张力探针、粘弹性调控及三维微结构构建。这些进展为解析力信号如何通过整合素-黏着斑-细胞骨架-核通路调控细胞行为提供了全新视角。

引言

细胞力学生物学研究机械力如何调控细胞行为，其中ECM的物理化学特性（如几何限制、异质性蛋白组成、机械梯度、粘弹性和三维曲率）的动态变化是关键。PAAm水凝胶因其可调力学性能、光学兼容性及标准化制备流程，成为解密这些机制的理想平台。

微图案化PAAm水凝胶：控制细胞迁移与界面

通过微接触印刷或深紫外光刻技术，纤维连接蛋白（FN）等ECM蛋白可被精准图案化为1D线条或点阵。例如，NIH-3T3成纤维细胞在1D图案上表现出基于“粘滑”动态的随机对称性打破，而光遗传激活RhoA可定向诱导细胞极性。此外，混合ECM蛋白（如层粘连蛋白+胶原I）能抵消基质刚性差异对细胞铺展的影响，验证了分子离合器模型中“离合器-马达”比率的核心作用。

机械梯度水凝胶：趋硬性的双向调控

新型梯度水凝胶通过荧光微球密度间接标定刚度，大幅提升实验通量。研究发现，胶质母细胞瘤细胞（U-251 MG）在缺乏黏着斑强化时，会向软区迁移（负向趋硬性），而乳腺癌细胞（MDA-MB-231）的Talin沉默可逆转其趋硬方向，证实趋硬性是动态可逆的力学优化过程。

拉伸系统与DNA张力探针：刚性感知的时空解析

软PAAm水凝胶（E≈0.6 kPa）结合周期性拉伸装置揭示，加载速率（而非绝对刚度）直接调控黏着斑成熟——高频拉伸模拟高刚度基质的力学响应。分子张力荧光显微镜（mTFM）进一步发现，刚性增加通过募集低载荷整合素（<50 pN）而非增强单分子力传导来适应高负载。

超越弹性：粘弹性调控细胞命运

DNA错配交联的粘弹性水凝胶证明，应力松弛速率可独立于储能模量（G'）调控神经干细胞分化：快速松弛促进胶质生成，而慢松弛偏向神经发生。人脐带间充质干细胞还能沿损耗模量梯度（G''）逆向迁移（趋粘性），其机制与材料蠕变诱导的极性重构相关。

三维曲率与限域效应

光聚合技术构建的3D高斯曲率微阱促进MDCK细胞形成顶面肌动蛋白缆，驱动定向迁移。而限域体积直接调控MCF-10A乳腺上皮细胞的牵引力模式——小空间诱导收缩，大空间转为伸展，为肿瘤浸润的力学调控提供新解释。

未来展望

动态响应水凝胶（如光/磁调控）、高通量3D打印技术及多组学整合将推动PAAm平台在组织再生、类器官构建和癌症治疗等领域的应用，最终实现从单细胞力学到组织尺度病理机制的跨越。