降冰片烯均聚反应限制硫醇-烯光点击水凝胶中细胞三维扩展的机制研究及功能调控

这篇研究揭示了硫醇-降冰片烯（thiol-norbornene）光点击反应在水凝胶体系中存在意外的降冰片烯均聚（homopolymerization）现象，通过调控聚合物功能化程度（f）成功恢复了水凝胶的应力松弛（stress relaxation）性能和细胞三维（3D）扩展能力。研究发现高f值聚合物（Nor40HA）形成的静态共价交联网络会限制间充质干细胞（hMSCs）形成纺锤形态（aspect ratio 1.22±0.01），而低f值聚合物（Nor8HA）可使应力松弛达93.0±1.6%，促进细胞形成典型纺锤形态（aspect ratio 2.95±0.38）。该研究为设计细胞许可性（permissive）3D培养体系提供了新思路。

组织工程水凝胶的设计挑战

细胞在三维环境中的扩展和迁移依赖于细胞外基质（ECM）提供的动态物理化学特性。虽然硫醇-降冰片烯光点击化学因其高效性和时空可控性被广泛应用于构建仿生水凝胶，但研究发现该体系在稀水溶液中会出现意外的降冰片烯均聚反应，导致网络形成不可控的静态共价交联。

光交联超分子水凝胶的异常力学行为

通过对比自发交联的β-环糊精（CDHA）/金刚烷（AdHA）主客体水凝胶与光交联版本，研究者发现后者表现出异常的力学性能：尽管聚合物含量更低，光交联体系的储能模量（G′）却高出50%，应力松弛程度仅有51%（自发体系达98%）。核磁共振（NMR）和基质辅助激光解吸电离质谱（MALDI-ToF）证实，在缺乏硫醇时降冰片烯转化率仍达77%，且会形成二聚体结构。

功能化程度调控网络拓扑结构

研究团队创新性地通过调节聚合物功能化程度（f）来规避均聚反应的影响。当使用低f值聚合物Nor₈HA（f=8）时，水凝胶应力松弛程度恢复至93.0±1.6%，而高f值Nor₄₀HA（f=40）体系仅达42.3±0.1%。网络拓扑分析显示，高f值聚合物只需少量交联即可形成连通网络，而低f值体系需要更高交联密度才能凝胶化。

细胞形态的显著差异

在长达14天的三维培养中，hMSCs在不同f值水凝胶中展现出截然不同的形态演化轨迹：Nor₈HA组细胞快速形成纺锤形态（长宽比2.95±0.38），而Nor₄₀HA组细胞始终维持球形或星形（长宽比1.22±0.01）。通过CAJAL算法构建的形态空间分析发现，低f值体系细胞主要沿"纺锤-1"到"纺锤-2"路径演化，而高f值体系细胞则停滞在"球形-星形"过渡阶段。

力学匹配实验验证机制

为排除力学性能干扰，研究者设计了模量匹配（G′≈900Pa）的实验组。结果显示即使力学性能相近，Nor₈HA组细胞仍能形成典型纺锤形态，而Nor₄₀HA组维持星形。酶降解实验进一步证实，含Nor₁₈HA的水凝胶在150U/mL胶原酶中12小时仍保持稳定，说明高f值形成的网络抗重塑能力更强。

这项研究不仅揭示了硫醇-降冰片烯反应在生物材料应用中的局限性，更重要的是提出了通过理性设计聚合物f值来调控网络动态性的新策略，为构建更仿生的3D细胞培养体系提供了重要理论依据。