安徽大学杨雪峰、华南理工大学边黎明 Adv. Mater.：基于凝聚作用构筑具有自进化大孔结构的超分子水凝胶用于3D多细胞球培养

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在水凝胶中引入大孔隙以形成大孔水凝胶（MPH），能够支持所负载细胞的球形生长并增强其活力和生物功能。但是现有MPH主要通过模板法、冷冻法和气体发泡法等途径形成，这会带来两个问题：一、孔隙形成过程不具有细胞相容性；二、水凝胶的可注射性和孔隙连通性较差，因此无法满足3D细胞球培养等生物医学用途的需求。凝聚作用是指均质生物大分子（如蛋白质和核酸）溶液通过液-液相分离形成富含大分子的浓缩相（称为凝聚层）和不含大分子的稀释相的过程，它在精确构筑传统方法难以制备的微结构生物材料上极具前景。

近日，安徽大学青年教师杨雪峰博士和华南理工大学边黎明教授团队在利用超分子体系的凝聚作用构建MPH方面取得了新进展。在该工作中，作者首先设计了三种组装砌块：（Ⅰ）蒽二聚体封端八臂聚乙二醇（PEG₈-dimer），（Ⅱ）醛基修饰γ-环糊精（γCD-CHO）和（Ⅲ）聚乙烯醇接枝碳酰肼（PVA-CDH）。随后，三种组装砌块的浓溶液可以通过γCD/蒽二聚体主客体作用和腙键串联连接作用，形成具有液体行为的超分子组装物（SA）。当SA暴露在生理介质中的数小时内，会因为凝聚作用形成多孔凝聚层，在4天后又会进一步进化为孔径为~100 μm的MPH（图1）。由于蒽二聚体自带蓝色荧光，作者利用激光共聚焦显微镜对其形成过程进行了跟踪，并通过重建的三维荧光图像揭示了MPH的互相贯穿性大孔结构。此外作者还证实，SA的凝聚行为和所形成MPH的孔隙形貌可以通过调节聚合物浓度、腙键密度、主客体对密度和聚合物亲水性等参数进行灵活调控。

然后，作者通过一系列研究揭示了MPC形成的机制：当SA暴露在生理介质中时，外界的水会因为渗透压差不断扩散到两亲性的SA网络中，当超出其亲水部分的保水能力后，多余的水会从超分子网络中分离出来，从而诱导形成大孔凝聚层；随着扩散进去的水不断渗出，大孔凝聚层中的液泡尺寸不断增大，而围绕在液泡周围的动态超分子网络则会在未包合蒽二聚体的疏水作用驱动下不断凝聚，形成越来越致密的孔壁；最终，这些致密而坚固的孔壁导致大孔凝聚层向MPC转变，并限制了液泡的进一步增长，从而保持了所获得MPH的稳定结构。

图1. 基于γCD/蒽二聚体主客体作用的超分子组装物通过凝聚作用形成大孔水凝胶的示意图。

最后，作者证实了这种源自液体SA的、具有自进化大孔结构的MPH，可以作为一种可注射性大孔支架材料用于干细胞3D培养。有趣的是，随着SA进化为MPH过程中，封装在SA中的小鼠胚胎干细胞（mESCs）和人体间充质干细胞（hMSCs）会停留在孔壁处，原位生长成尺寸分别为79.2和110.8 μm的3D多细胞球体，从而增强其干性保持和软骨分化能力（图2）。作为对照，具有同SA相似初始力学性能的无孔静态水凝胶，则不能支持干细胞的成球化生长和相关功能。这项工作的发现不仅为具有自进化结构的生物材料的设计提供了有价值的指导，而且为3D多细胞球体培养和其他多样化的生物医学应用提供了有前景的策略。

图2. 具有自进化大孔结构的MPH能够促进干细胞的成球化生长及其相关生物学功能。

该研究成果以“Coacervation-Mediated Cytocompatible Formation of Supramolecular Hydrogels with Self-evolving Macropores for 3D Multicellular Spheroid Culture”为题发表在材料领域顶级期刊《Adv. Mater.》上（DOI: 10.1002/adma.202300636）。安徽大学青年教师杨雪峰博士、香港中文大学杨伯光和邓颖瑞博士及博士生谢宪为共同第一作者，华南理工大学赵鹏超和边黎明教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、安徽省自然科学基金和香港特区政府相关基金的资助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202300636

作者简介

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边黎明教授2021年获聘教育部长江学者特聘教授，入职华南理工大学生物医学科学与工程学院，现任学院副院长。边教授长期致力于发展先进纳米材料与水凝胶材料在生物医学领域的应用，并且逐渐建立了从基础材料学，生物医学研究到医疗应用研究的多方向的深度研究。边教授团队近期在国际高水平学术期刊上发表论文数十篇，相关详细内容可查阅边教授实验室网站：https://www.x-mol.com/groups/bian_lab

杨雪峰博士为安徽大学生命科学学院高层次引进人才，硕士生导师，主要从事再生医学用生物材料研究，2006-2013年毕业于合肥工业大学高分子系（导师：丁运生教授），2017年于武汉大学高分子系获得博士学位（导师：张俐娜院士），2018-2021年于香港中文大学生物医学工程系从事博士后研究（合作导师：边黎明教授），近年在Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Carbohydrate Polymers等期刊发表论文10余篇。

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