北京科技大学李立东教授课题组 ACS AMl：在超分子荧光水凝胶领域取得新进展

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天然细胞外基质是由生物分子组装形成的凝胶状网络结构，用于支撑细胞并参与细胞的生命活动。水凝胶是一种高分子链通过交联作用形成的三维网络结构，可以吸收并储存大量水分，使氧气、营养物质以及代谢产物可以在整个水凝胶孔洞中进行迁移和扩散。通过合理设计分子结构，可以将各种非共价键（如氢键和疏水相互作用）引入高分子链的交联过程。强共价键保持水凝胶的完整性，而分子间相互作用作为牺牲键耗散应力进一步提高凝胶体系的力学性能。因此，超分子水凝胶可以提供一个韧而强的微环境，模拟细胞外基质，控制细胞活动。由于细胞-基质相互作用是动态变化的过程，通过水凝胶模拟细胞外基质研究细胞-基质相互作用时，需要将动态过程及时转化为可检测的信号。有机荧光共轭聚合物具有长程π电子离域体系，表现出良好的荧光性质，这使其可以作为能量给体，放大检测信号，极大地提高了检测灵敏度。同时共轭分子的侧链可以引入不同的官能团，便于通过分子相互作用形成超分子功能水凝胶，对于研究细胞-基质相互作用具有重要意义。

李立东教授团队设计并合成了荧光共轭寡聚物OFBTCO₂Na，与聚N-丙烯酰基甘氨酰胺（PNAGA）通过氢键和疏水相互作用形成超分子荧光水凝胶。两种非共价相互作用赋予水凝胶致密的网络结构，从而具备良好的拉伸性和稳定性。同时，OFBTCO₂Na的高稳定荧光发射为超分子水凝胶提供了优异的光学性能。

图1（a）OFBTCO₂Na的合成路线。（b）超分子荧光水凝胶的紫外吸收（黑）和荧光发射（红）光谱。（c）超分子荧光水凝胶的SEM图像。（d）加入OFBTCO₂Na（红）和无OFBTCO₂Na（黑）的水凝胶的拉伸曲线。（e）紫外光照下未拉伸和拉伸的超分子荧光水凝胶的图像。

该团队进一步将经过细胞膜染料染色的细胞封装在超分子荧光水凝胶内。由于细胞膜染料DiD与OFBTCO₂Na之间存在高效的荧光共振能量转移（FRET）效应，当拉伸水凝胶时，细胞-基质距离改变引起FRET效率的改变，产生荧光信号的响应，达到动态监测细胞-基质相互作用的目的。而且拉伸七天后，细胞依旧表现出高细胞活性，并且发生形态改变。这项研究工作为超分子水凝胶模拟细胞外基质，研究细胞-基质相互作用，调节细胞行为提供了一种新的策略。

 
图2（a）用于监测和控制细胞行为的超分子荧光水凝胶示意图。（b）在拉伸0、1.5、4倍水凝胶中经过细胞膜染色的细胞的荧光图像。图像分别在405 nm 和638 nm 激发下获得，标尺为50 µm。

以上相关研究成果发表在ACS Applied Materials & Interfaces（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, DOI: 10.1021/acsami.2c00460）上。论文第一作者为北京科技大学材料科学与工程学院硕士生张倩，通讯作者为李立东教授和王晓瑜副教授。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.2c00460

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