大豆蛋白与魔芋葡甘聚糖的静电组装构建培养肉仿生支架：结构与生物学性能

《Food Hydrocolloids》：Electro-assembly of soy protein and konjac glucomannan into biomimetic scaffolds for cultured meat: Structural and biological performance

　　

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  通过电纺组装法从大豆蛋白和魔芋葡甘聚糖中制备仿生各向异性支架。
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  KGM浓度和冷冻条件决定了支架的孔隙结构和力学性能。
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  支架表现出高孔隙率（约80%）、吸水率（800-1147%）以及力学各向异性。
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  各向异性支架促进了C2C12细胞的黏附、增殖和肌源性分化。
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  培养肉构建体实现了理想的力学和质地特性。

引言

组织工程支架在再生医学和新兴的培养肉领域发挥着核心作用，其功能在于模拟细胞外基质并为细胞生长提供三维微环境（Khan等，2024；Kim、Kim、Lu、Ovissipour和Nitin，2025； Stephens等，2018）。由于独特的三维网络结构、高含水量和优异的生物相容性，水凝胶材料已成为构建此类支架的最有前景的候选材料之一（Lee和Choi，2024；Spearman等，2020）。然而，通过传统方法制备的水凝胶（聚合反应或均匀分散在水相介质中的分子组装）通常表现出各向同性结构，这与骨骼肌等天然生物组织中固有的各向异性特征存在显著差异（Webe和Murray，1973；Proksch、Brandner和Jensen，2008）。越来越多的证据表明，基质的拓扑结构取向对细胞行为（包括增殖、迁移和分化）以及生物系统中的组织水平力学性能、物质传输、表面润滑和力生成具有关键调节作用（McClendon和Stupp，2012；Prang等，2006；Sano、Ishida和Aida，2018；Zhang等，2010）。因此，开发具有各向异性结构特征的仿生水凝胶对于推进组织工程和培养肉技术至关重要。

在培养肉体系中，支架生物材料作为集成支撑多孔网络，促进氧气和营养物质的传输以及代谢废物的排出（Post等，2020）。此外，这些材料必须安全可食用、口感良好，并具备复制天然肉质地特性的能力。各向异性三维支架利用取向架构引导细胞形成纤维状形态，从而模拟天然肉，改善消费者期望的感官体验和品质（Manski、van der Goot和Boom，2007；Wang、Zou、Liu和Chen，2023）。然而，目前的各向异性支架主要依赖合成化学材料或化学交联工艺，不符合美国食品药品监督管理局对培养肉的要求（Kang等，2021；MacQueen等，2019；Park等，2021；Su等，2023；Xiang等，2022）。在我们之前的研究中，我们证明了可以利用低电压电场诱导分子取向排列，从大豆蛋白分离物（SPI）和魔芋葡甘聚糖（KGM）中制备具有可调力学性能的各向异性复合水凝胶（Zhu等，2025）。该体系提供了结构各向异性、食品级成分和可调控力学的理想组合，使其成为培养肉支架的有力候选材料。尽管具有这种潜力，但生物材料支架在培养肉生产中的商业化应用仍面临许多重大挑战，例如实现大规模制造所需的力学性能、足够的细胞黏附能力以及高效的氧气和营养物质传输与交换（Chen等，2020；Datar、Betti和Technologies，2010；Xiang等，2022）。因此，电致食品级各向异性结构对细胞生长、增殖和分化以及由此产生的培养肉品质的影响仍有待深入研究。

基于我们之前的研究（Cao等，2023），本研究旨在系统构建并表征一系列各向异性SPI/KGM支架，并评估其支持肌肉干细胞生长的适用性。研究了关键制备参数对支架微观结构、孔隙特征、吸水能力和力学性能的影响。然后，将C2C12细胞——一种成熟的哺乳动物肌肉细胞模型（Elkhoury等，2021a；Enrione等，2017）——接种到优化的各向异性支架上，全面评估其细胞相容性、增殖动力学和肌源性分化性能，随后对所得组织工程培养肉构建体的力学性能进行分析。与我们的先期研究相比，本工作从瞬态水凝胶推进到专为组织工程设计而制的稳定多孔三维支架。本研究不仅为各向异性SPI/KGM支架在培养肉生产中的应用提供了必要的实验证据和理论支持，也为下一代仿生食品支架材料的开发提供了新的见解和技术指导。

章节摘要

材料

大豆蛋白分离物（纯度>90%）购自山松生物制品有限公司（中国山东临沂）。魔芋葡甘聚糖（黏度>15,000 mPa·s）购自阿拉丁生化科技有限公司（中国上海）。C2C12成肌细胞购自普诺赛生命科学技术（武汉）有限公司。杜尔贝科改良型鹰巢培养基（DMEM）、胎牛血清（FBS）和马血清均购自赛默飞世尔科技（中国）。

SPI/KGM各向异性支架的孔径、孔隙率和微观结构

各向异性支架的制备过程示意图如图1a所示。图1b和图1c显示，在?20 °C下冷冻的支架，其孔径主要分布在50至150 μm范围内（67%–85%），仅有一小部分低于50 μm。对于含有1.0 wt%和1.5 wt% KGM的支架，有相当比例的孔径超过150 μm（约30%）。相比之下，在?80 °C下冷冻的支架，大部分孔径位于0–100 μm范围内（88%–100%），表明

结论

本研究通过两步法制备了各向异性支架：首先利用低电压电场将SPI和KGM组装为各向异性复合水凝胶，然后根据不同的冷冻条件（?20 °C和?80 °C）进行冷冻干燥。所得支架表现出高孔隙率、明显的力学各向异性、强吸水能力以及在溶胀后优异的结构稳定性。关键结构和力学性能，包括孔径，

CRediT作者贡献声明

Wei Liu：撰写——审稿与编辑。Xing Chen：撰写——审稿与编辑、资助获取、构思。Liqiang Zou：撰写——审稿与编辑。Lexiang Zhang：撰写——审稿与编辑。Yan Chen：撰写——审稿与编辑。Yuan Wang：方法学、调查、构思。Yuqing Zhu：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法学、构思。

未引用参考文献

Datar和Betti，2010；Fan等，2019；Felfel等，2019；O'Brien等，2005；Wang等，2020。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的财务利益冲突或个人关系。

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（32472284）和江西省双千计划（jxsq2023101077）对本研究的资助支持。

Yuqing Zhu|Yuan Wang|Yan Chen|Lexiang Zhang|Liqiang Zou|Xing Chen|Wei Liu