综述：水凝胶中的微尺度力学信号：调控三维细胞命运的工程策略

《Cell Biomaterials》：Microscale mechanical cues in hydrogels: Engineering strategies to modulate cell fates in three dimensions

　　

水凝胶设计和力学生物学的最新进展强调了细胞外基质（ECM）力学信号在引导三维（3D）细胞命运中的重要性。然而，大多数研究集中于整体力学性质，这些性质可能与细胞所经历的微尺度力学信号显著不同。在三维水凝胶网络内，细胞主动施力以推、拉和重塑其周围环境。越来越多的证据表明，这些局部力学性质是细胞命运的主要调节者。本综述总结了水凝胶工程策略的最新进展，包括交联机制和聚合物结构，这些策略能够在细胞相关尺度上控制微尺度基质力学。它综合了当前关于微尺度力学信号如何调节三维生物学结果的理解，涵盖再生医学和疾病进展。讨论了测量微尺度力学的关键技术以及相关的突出技术挑战。最后，讨论了定义局部水凝胶力学与长期生物学结果之间机制的未来方向。

水凝胶工程策略允许调控微尺度基质力学（microscale matrix mechanics）

可逆交联（reversible crosslinks）是调控微尺度力学的主要策略，包括离子交联、可逆共价键、超分子主客体相互作用和肽/蛋白质相互作用。这些交联可通过细胞牵引力等外部刺激断裂和重组，使水凝胶网络在细胞尺度上重组，表现为应力松弛（stress relaxation）和粘弹性（viscoelasticity）。离子交联水凝胶（如钙离子交联的海藻酸盐（alginate））通过调整聚合物分子量、交联密度和聚乙二醇（PEG）间隔子来调控应力松弛，从而影响细胞形态、增殖、迁移、分化和组织形态发生。可逆共价键水凝胶（如腙键（hydrazone）和硼酸酯键（boronate ester））通过改变醛基类型或动力学参数来调控应力松弛，促进细胞扩散、干性维持、神经突延伸及免疫细胞表型转变。超分子主客体交联水凝胶（如环糊精（CD）-金刚烷（adamantane）或葫芦脲（cucurbit[n]uril））通过调整主客体浓度或网络架构来调节局部网络动力学，影响细胞扩散、分化及类器官形成。肽/蛋白质相互作用交联水凝胶（如基于XTEN蛋白的自我关联或WW结构域与富脯氨酸肽的分子识别）通过点突变或序列设计调控交联动力学，支持细胞存活、增殖和分化。

滑动交联水凝胶（sliding hydrogels，SG）通过环糊精（CD）环沿线性PEG链滑动实现局部可重组性，且不改变整体力学性质。降低环密度或增加PEG链长可增强环移动性，从而促进细胞翻滚（cell tumbling）、局部基质软化和分化增强。SG平台揭示了局部力学独立于整体力学的调控作用，并用于研究骨关节炎（OA）中炎症抑制机制。

其他平台包括互穿网络（IPN）水凝胶，如结合海藻酸盐和基底膜（BM）配体，通过调整塑性或应力松弛调控细胞迁移和侵袭形态。纤维类材料如胶原水凝胶通过交联或剪切频率调控微尺度力学，影响T细胞表型和干细胞分化。肽两亲分子（PA）支架通过调节分子移动性（molecular mobility）影响神经元分化。聚异氰基肽（PIC）水凝胶模拟组织应力硬化特性，调控干细胞命运和器官形态发生。此外，瓶刷聚合物（bottlebrush polymers）通过共价交联实现应力硬化，细胞可局部分泌力并延伸突起。

微尺度基质力学的表征方法

原子力显微镜（AFM）通过单点压痕测量局部应力-应变曲线，区分滑动交联与静态交联水凝胶的局部柔度差异，但仅适用于表面测量。微流变学（microrheology）通过嵌入的示踪粒子热运动或主动驱动（如磁场）推断内部力学性质，如动态光散射（DLS）微流变学可计算局部复模量。福斯特共振能量转移（FRET）通过荧光供体-受体对检测配体成簇，间接反映局部基质可重组性。荧光相关光谱（FCS）追踪荧光标记配体在焦点体积内的运动，量化配体移动性。荧光去偏振（fluorescence depolarization）通过嵌入荧光团测量PA支架的微粘度，反映分子移动性。其他技术如珠位移和凝胶位移实验定性显示细胞引起的局部基质变形。

结论与展望

动态生物材料通过调控微尺度力学信号为控制三维细胞过程提供了新策略。未来需加强微尺度力学的精确表征，发展独立调控微尺度与整体力学的平台，扩大研究细胞类型（如免疫细胞），并探索微尺度各向异性和疾病进展中的力学变化。深入理解细胞感知局部力学并转化为长期命运的机制，涉及短期行为（如细胞翻滚和体积扩张）与长期分化、炎症之间的力传导通路，为再生医学和治疗靶点开辟新方向。