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圖1殼層硬化大孔水凝膠的設(shè)計(jì)原理示意圖。

  近期，南京大學(xué)王煒/曹毅/蔣青/薛斌等人報(bào)道了一種具有時(shí)空程序化機(jī)械性能的大孔水凝膠，能夠用于干細(xì)胞驅(qū)動(dòng)的骨再生。作者通過(guò)液-液相分離軟模板法在水凝膠內(nèi)部構(gòu)建大孔結(jié)構(gòu)，并利用剛性蛋白纖維的界面自組裝強(qiáng)化孔殼。水凝膠的大孔結(jié)構(gòu)為干細(xì)胞增殖提供充足空間以避免接觸抑制；剛性蛋白質(zhì)纖維包覆的大孔結(jié)構(gòu)為干細(xì)胞的成骨分化提供持續(xù)的機(jī)械信號(hào)刺激并抵御力學(xué)損傷。在時(shí)間尺度上，水凝膠呈現(xiàn)可調(diào)節(jié)的降解速率，并能在一定程度上與新生組織形成速率同步。通過(guò)整合局部機(jī)械異質(zhì)性、大孔結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)和再生可降解性，作者在兔和豬模型中驗(yàn)證了這些干細(xì)胞封裝水凝膠的再生功效。這項(xiàng)工作標(biāo)志著機(jī)械異質(zhì)水凝膠于干細(xì)胞輔助組織再生領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。該工作以“Hydrogels with programmed spatiotemporal mechanical cues for stem cell-assisted bone regeneration”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。文章通訊作者為南京大學(xué)王煒教授、曹毅教授、蔣青教授和薛斌副教授。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和江蘇省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

圖2殼層硬化大孔水凝膠的結(jié)構(gòu)表征。

圖3殼層硬化大孔水凝膠的局部機(jī)械異質(zhì)性和可調(diào)降解性表征。

圖4動(dòng)態(tài)形變下殼層硬化大孔水凝膠對(duì)細(xì)胞的機(jī)械損傷保護(hù)。

圖5剛性殼層機(jī)械刺激驅(qū)動(dòng)的包封細(xì)胞成骨分化。

圖6兔模型中包封干細(xì)胞的殼層硬化大孔水凝膠的骨再生實(shí)驗(yàn)。

圖7 豬模型中包封干細(xì)胞的殼層硬化大孔水凝膠的骨再生實(shí)驗(yàn)。

  關(guān)注生物工程領(lǐng)域中骨組織再生這一重要問(wèn)題，作者開(kāi)發(fā)了具有獨(dú)特力學(xué)性能和可調(diào)降解性的殼層硬化大孔水凝膠。具體而言，作者基于聚乙二醇（PEG）與葡聚糖液-液相分離的軟模板技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)葡聚糖與PEG濃度控制相分離產(chǎn)生的非連續(xù)液滴尺寸；引入預(yù)組裝的溶菌酶納米纖維，借助界面自組裝形成穩(wěn)定蛋白纖維殼層。此外，通過(guò)調(diào)節(jié)體系內(nèi)含可降解酯鍵交聯(lián)劑的比例，實(shí)現(xiàn)材料降解速率的控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該水凝膠具備以下特性：（1）微米級(jí)大孔結(jié)構(gòu)賦予局部機(jī)械異質(zhì)性；（2）剛性蛋白纖維殼層在循環(huán)壓縮載荷下可有效保護(hù)細(xì)胞并誘導(dǎo)成骨分化；（3）可調(diào)降解速率與新骨形成進(jìn)程保持動(dòng)態(tài)匹配。進(jìn)一步地，在兔和豬骨缺損模型中的應(yīng)用驗(yàn)證了該材料對(duì)骨再生顯著促進(jìn)作用。這種封裝水凝膠突破了傳統(tǒng)水凝膠支架在力學(xué)信號(hào)持續(xù)性與降解同步性方面的技術(shù)瓶頸，為干細(xì)胞介導(dǎo)的組織再生中臨床應(yīng)用提供了新方案。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59016-6