《Chemical Science》：Hydrogel nanofiber-based 3D cell cultures and organoidsOpen Access
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水凝胶基纳米纤维与微纤维将水凝胶的仿生功能与纤维的拓扑结构相结合，能够在多种生物医学应用中实现对天然细胞外基质（ECM）的真实模拟。近年来，纳米纤维制备技术与干细胞工程学的进展使纳米纤维水凝胶支架成为传统Matrigel在疾病建模与转化医学中具有竞争力的合成替
水凝胶基纳米纤维与微纤维将水凝胶的仿生功能与纤维的拓扑结构相结合，能够在多种生物医学应用中实现对天然细胞外基质（ECM）的真实模拟。近年来，纳米纤维制备技术与干细胞工程学的进展使纳米纤维水凝胶支架成为传统Matrigel在疾病建模与转化医学中具有竞争力的合成替代方案。本文审视了水凝胶纳米纤维结构作为一类独特的材料–结构系统。研究人员首先概述了调控力学性能与层级支架结构的关键设计方法学与策略；随后讨论了近期研究如何阐明纳米纤维的理化性质调控力学传导（mechanotransduction）与细胞行为，为先进体外模型提供了多功能工具库。通过弥合材料合成、制备与功能性生物学成熟之间的鸿沟，本文为下一代转化型三维细胞培养平台的发展提供了路线图。
论文解读：水凝胶纳米纤维三维细胞培养与类器官研究进展
一、研究背景与问题
三维（3D）合成支架模拟细胞外基质（ECM）的技术发展已取得显著进展，其作为传统疾病模型的替代方案以及下一代类器官系统的平台价值日益凸显。天然ECM是一个精密、动态的环境，不仅需要生物相容性和高含水量，还要求纳米级纤维结构、组织特异性生化线索以及明确的三维组织——包括可控孔隙率、排列方式，在特定情况下还需要导电性。早期三维支架和类器官主要依赖Matrigel等动物来源基质，但这些系统存在批次间变异性和可调性有限等固有缺陷，尤其在模拟复杂肿瘤微环境或心脏、肌肉、神经等层级组织时表现突出。后续研究表明，精确调控支架孔隙率、力学刚度与纳米拓扑特征能够更真实地再现天然生物环境与细胞力学传导过程。然而，传统静电纺丝纳米纤维的力学刚度往往超过三维细胞培养的需求，需要整合水凝胶前体以实现生理相关弹性。此外，常规制备策略在构建具有导电性的纳米/微纤维结构水凝胶方面仍存在局限。
二、研究内容与意义
该论文发表于《Chemical Science》，系统综述了三维水凝胶纳米纤维系统的发展，重点聚焦于新兴制备策略，这些策略能够实现支架和类器官设计中精确的力学可调性与层级孔隙率。研究进一步强调了纳米纤维结构与生化线索整合在调控细胞力学传导中的作用，以及纤维水凝胶系统中离子和电子导电性的融合趋势。论文还探讨了从微尺度网片向宏观组织规模化所面临的挑战，以及水凝胶类器官平台向可植入治疗系统转化过程中的技术与监管障碍。通过弥合材料创新与功能性生物学成熟之间的鸿沟，该研究为下一代转化型三维生物界面提供了路线图。
三、关键技术方法
研究人员在综述中归纳了水凝胶纳米纤维制备的主要技术路线。自上而下方法包括静电纺丝（electrospinning），通过高压电场形成Taylor锥并喷射带电聚合物射流，经单轴拉伸和溶剂蒸发获得连续固体纤维；离心纺丝（centrifugal spinning），利用旋转储液器配合侧壁孔口产生聚合物纤维，具有高通量、低成本优势；微流控组装（microfluidic-based assembly），通过层流条件连续形成纤维并进行原位交联。自下而上方法包括自组装（self-assembly），利用氢键、π–π堆叠和静电作用等非共价相互作用构建层级结构。新兴方法包括水凝胶化（hydrogelification）策略，通过硫酸处理在PVA主链引入硫酸酯基团，破坏内部氢键并促进水溶胀；点击化学（click chemistry）用于透明质酸和弹性蛋白样重组体（ELR）纤维制备；以及纤维内光交联策略，利用醛改性纤维素纳米晶体稳定GelMA复合纤维水凝胶。
四、研究结果
4.1 孔隙率控制：牺牲模板与低温加工
研究人员指出，静电纺丝网络中三维微孔率的精确调控仍具挑战性。牺牲模板策略通过共沉积醋酸纤维素微珠并在水凝胶化过程中选择性化学溶解，形成明确孔隙网络，所得系统具有高溶胀性、光学透明性和增强的质量传输性能。海藻酸盐微凝胶作为致孔剂可通过酶降解实现原位成孔，适用于器官芯片平台。短纳米纤维（SNF）分散体的低温冻干可生成海绵状整体结构，孔隙率和孔壁厚度受纤维体积分数和冰晶成核动力学控制。冰模板法（冷冻铸造）中，较低成核温度产生更高密度冰核和更小孔尺寸，而交联密度增加可限制冰晶生长。
4.2 各向异性控制：剪切诱导与磁场辅助组装
稳定的SNF胶体悬浮液可通过刮涂等剪切介导组装生成排列纤维结构，聚-L-赖氨酸与纳米纤维表面带负电的硫酸酯基团静电相互作用可改善界面附着。涂层速度与纤维体积分数共同决定流体剪切场，进而控制纤维排列有序参数。三维生物打印中，喷嘴几何结构内在的剪切诱导排列可实现明胶基纳米纤维的螺旋排列结构，模拟心肌心室组织。磁场辅助组装通过将超顺磁氧化铁纳米颗粒（SPIONs）掺入聚合物基质，利用外部磁场精确调控纳米纤维长轴取向，通常需要光交联前体以锁定排列状态。
4.3 纳米纤维拓扑与细胞力学传导
研究人员综述了纳米纤维形貌对细胞力学传导的调控机制。低密度纤维网络通过快速激活RhoA–ROCK信号轴促进基质重塑，增强细胞–基质黏附信号和黏着斑蛋白阳性黏附。弯曲纳米结构更真实模拟天然ECM的曲折拓扑，桥接细胞在弯曲边缘的非黏附桥附近浓缩肌动球蛋白丝，产生更高肌球蛋白-II介导的细胞内力，促进成骨分化。纤维排列与细胞尺寸存在空间相关性：在排列致密支架中，较大细胞表现出更好的铺展和增强的力学传导，而较小细胞常被物理限制在间隙空间中。将拓扑线索与基底弹性整合的研究表明，即使在软基底上，纳米纤维拓扑也能催化黏着斑（FA）组装；高模量随机基底抑制FA成熟，而连续排列结构促进FA沿纤维轴伸长。
4.4 孔隙率与三维微环境空间异质性
高孔隙率（>60%）工程支架创造更广阔的空间微环境，促进细胞浸润和可溶性因子扩散。在肿瘤来源类器官系统中，空间异质性和营养梯度深刻影响受体表达和病理信号传导，高孔隙纤维基质可促进分散细胞生长和特定生物标志物上调，为腺瘤进展和治疗耐药提供见解。刺激响应生物材料成为研究细胞行为时空动态的先进平台，如磁性响应Fe3O4纳米颗粒掺入GelMA纳米纤维水凝胶可外部调控脂肪干细胞分化，纳米拓扑与动态刚度共同调节脂肪生成和成骨分化。
五、讨论与结论
研究人员指出，未来进展将依赖于融合自上而下制备的可扩展性和几何通用性与自下而上分子组装的分子精度的混合策略。水凝胶模量不应被理解为孤立的力学参数，而是网络化学的涌现属性，包括聚合物浓度、交联密度、配体迁移率、溶胀行为和纳米纤维聚合物相互作用。成功支架设计不仅取决于控制纳米纤维尺寸，还取决于将其化学转化为顺应性和功能性水凝胶网络。下一代水凝胶纳米纤维支架将可能由孔隙率和各向异性的多尺度控制所定义，最终目标不仅是增加支架几何复杂性，而是工程化孔隙结构、方向力学和生物功能线索无缝协调的材料，以可预测方式引导组织形成。从微尺度网片向宏观组织规模化、以及水凝胶类器官平台向可植入治疗系统转化过程中的技术和监管障碍仍需克服。
