综述：类器官工程中的动态水凝胶力学：从基质设计到转化范式

本综述系统探讨了可调控力学性能的水凝胶在类器官研究中的突破性应用，通过整合天然/合成/杂化聚合物，克服了传统基质（如Matrigel）的批次差异和静态特性局限。文章详细阐述了水凝胶刚度（Stiffness）和粘弹性（Viscoelasticity）的调控策略及其在发育类器官（肠、肝、肾、神经）和肿瘤类器官（乳腺、胰腺、结直肠癌）中的关键作用，揭示了YAP/Notch等力学信号通路如何调控形态发生和恶性进展，并为药物筛选和再生医学提供了新一代生物材料路线图。

　　

细胞外基质的力学层级调控组织微环境

细胞外基质（ECM）不仅是三维微环境中的结构支架，更是动态的生物力学和生化信号库，通过整合素、盘状结构域受体等黏附分子精确调控细胞行为。人体组织表现出惊人的弹性模量梯度，从肠黏液的约11 Pa到皮质骨的约20 GPa，反映了功能特化需求。ECM在微观尺度分为基底膜和间质基质两种架构：基底膜由胶原IV、层粘连蛋白和硫酸乙酰肝素蛋白聚糖组成，调控细胞极化和屏障形成；间质基质则形成胶原I/III/V、纤连蛋白和透明质酸的纤维网状结构，参与成纤维细胞和免疫细胞的机械信号转导。

工程化水凝胶微环境的设计与合成

水凝胶作为亲水性聚合物网络，通过仿生ECM的物理化学和生物学特征，成为类器官培养不可或缺的平台。根据材料来源，水凝胶系统可分为天然、合成和杂化聚合物三类：天然水凝胶（如脱细胞脑、肾基质）保留组织特异性生化线索但力学可调性有限；合成水凝胶（如聚丙烯酰胺PAA、聚乙二醇PEG）通过可控聚合和功能化实现参数解耦；杂化系统（如甲基丙烯酰化明胶GelMA）则平衡生物相容性与力学性能。交联策略分为物理交联（氢键、金属配位）和化学交联（共价键），前者提供动态适应性，后者确保结构稳定性。

刚度与粘弹性的调控机制存在本质差异：刚度主要通过共价交联密度调节静态网络拓扑，而粘弹性依赖可逆键的动力学实现能量耗散。例如，通过调节藻酸盐分子量可改变其粘性模量（G″），低分子量藻酸盐钙交联水凝胶的松弛时间缩短至70秒，而高分子量体系需1000秒。

水凝胶驱动机械转导的分子机制

细胞通过膜结合机械传感器感知水凝胶力学信号：整合素识别RGD肽并经由黏着斑激酶（FAK）激活下游通路；PIEZO1/2离子通道将基质刚度转化为Ca²⁺流定向细胞分化。YAP作为关键力学效应器，在软水凝胶中滞留于胞浆促进肾分化，而在刚性基质中核转位激活Notch信号驱动肠干细胞扩增和胰腺癌上皮-间质转化（EMT）。此外，耳蜗类器官中中等刚度通过ITGA3/F-肌动蛋白/YAP信号调控感觉上皮形成，而较高刚度通过Ca²⁺/ERK1/2/KLF2级联促进毛细胞分化。

可调刚度水凝胶在类器官培养中的应用

发育类器官具有组织特异性刚度窗口：肠类器官在1.3 kPa剪切存储模量（G′）下形成隐窝，软基质（0.2 kPa弹性模量）促进折叠；肾类器官在1 kPa软凝胶中增强分化，而12-20 kPa刚性基质促进足细胞成熟；肝类器官在1.3-1.7 kPa仿生理刚度下增殖最优；脑类器官在超软基质（<0.1 kPa）中增强神经突延伸和突触成熟。肿瘤类器官则利用病理刚度驱动恶性表型：胰腺癌类器官在20.5 kPa刚性PEG水凝胶中通过YAP核转位诱导化疗抵抗；结直肠癌类器官在14.6 kPa明胶-苯酚水凝胶中体积扩增最大；乳腺肿瘤在5 kPa基质中NF-κB激活导致治疗抵抗。

可调粘弹性水凝胶的创新与应用

粘弹性水凝胶通过动态键工程模拟组织的时间依赖性力学响应。肠类器官在应力松弛半衰期（τ_1/2）为24秒的PEG水凝胶中隐窝出芽增强；滋养层类器官在DNA交联的DyNAtrix水凝胶（τ可调从<1秒至>10000秒）中高效增殖；肾类器官在快速松弛藻酸盐凝胶（τ_1/3<10秒）中形成更卷曲的肾小管结构；软骨类器官在高粘性模量（G″=202.9 Pa）藻酸盐中促进细胞迁移和新组织融合；血管类器官在动态明胶-β-环糊精水凝胶（τ_1/2=11秒）中增强动脉分化。

挑战与未来方向

当前水凝胶技术仍面临三大挑战：其一，基质-类器官互作机制尚未明晰，尤其是力学信号与生化信号协同调控干细胞命运的路径；其二，水凝胶设计复杂度高，难以同时复现ECM的结构异质性和动态 reciprocity；其三，血管化和营养传输受限，缺乏仿生分级血管网络。未来方向包括：开发动态可调水凝胶以模拟发育或疾病进展中的力学变化；整合3D生物打印技术实现多材料、多层级类器官构建；结合器官芯片技术建立实时力学-生物学监测系统，推动个性化医疗和药物筛选平台发展。