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知识点1 — 细胞周期
细胞周期（Cell Cycle）是指细胞从一次分裂开始，到下一次分裂完成所经历的整个生命过程。它是细胞生长、分裂和增殖的基础，是有机体生长发育、组织修复与更新等生物学过程的核心。细胞周期分为间期（Interphase）和分裂期（M phase or Mitosis）。细胞间期包括G1期、S期和G2期，细胞间期是细胞进行分裂前的准备阶段。分裂期包括前期、中期、后期和末期，这个时期细胞染色体会一分为二即姐妹染色单体分离，细胞质也会随之分裂形成两个细胞。
知识点2 — 杨氏模量
杨氏模量（Young’s modulus），又称弹性模量，是描述材料在弹性范围内抵抗伸长或压缩的能力的一种物理量，用来量化材料在受到拉伸或压缩时的刚性程度。它反映了材料内部分子键在恢复原来平衡状态时的能力，是衡量材料弹性的一个重要指标。在实验中，杨氏模量通常通过对材料施加轴向拉伸或压缩力（如拉伸试验）来测量。在弹性变形阶段，应力与应变呈现线性关系，这部分符合胡克定律（Hooke’s law）。杨氏模量大的材料通常刚性更强、不易形变。杨氏模量小的材料较软，容易形变。另外，在典型的拉伸（或压缩）测试中，可以得到应力-应变曲线，应力-应变曲线可以直观反映杨氏模量在弹性范围内的重要性。
知识点3 — 细胞3D培养技术
细胞三维培养技术（3D cell culture technology）是一种模仿活体环境中细胞在三维空间生长的培养方法，与传统的二维培养（2D culture）（如培养皿中细胞贴壁生长）相比，它允许细胞在三维空间中沿自然方式生长、分化和相互作用。3D培养技术为研究人体微环境、疾病机制（如癌症、神经疾病）及药物筛选提供了更加接近生理条件的平台。因此，3D培养使细胞能够在空间结构、细胞间相互作用、代谢行为和功能上更接近体内状态，从而克服二维培养的一些局限。细胞3D培养可基于支架依赖性或无支架方法进行。支架依赖性方法使用模拟细胞外基质（ECM）的材料（如蛋白、胶体、纤维材料和水凝胶等）为细胞提供空间支持附着点，使其形成三维结构。无支架方法中，细胞通过自组装或悬浮技术形成三维球体结构。
水凝胶为组织工程策略提供了有前途的生物材料平台，用于修复或替换受损组织。和细胞外基质（ECM）的粘弹性类似，水凝胶的时间依赖性机械性能（以粘弹性表示）广泛调节细胞行为，例如迁移、分化和增殖。虽然水凝胶可以接近天然ECM的粘弹性，但要重现类似于ECM在许多组织中观察到的快速应力松弛而不限制水凝胶的机械稳定性仍然具有挑战性。为了解决上述问题，哈佛大学David J. Mooney教授（通讯作者）团队，开发了一种离子交联大孔藻酸盐水凝胶，其应力松弛率提高了一个数量级。应力松弛率的增加发生在很宽的聚合物分子量（MW）范围内，这使得可以使用高MW聚合物来提高水凝胶的机械稳定性。大孔水凝胶中的应力松弛率取决于孔的体积分数和牛血清白蛋白的浓度，牛血清白蛋白被添加到水凝胶中以在凝胶化过程中稳定大孔结构。相对于传统水凝胶中封装的细胞球体，大孔水凝胶中的球体由于细胞迁移增加而具有明显更大的面积和更小的圆度。计算模型为大孔结构与封装球体的形态发生之间的关系提供了一个框架，这与实验观察结果一致。总之，这些发现阐明了大孔水凝胶结构与应力松弛之间的关系，并有助于为基于材料的细胞疗法设计大孔水凝胶提供参考。
（A）显示了快速制造大孔海藻酸盐水凝胶支架的方案。在离子（Ca2+）交联的早期阶段将气孔引入藻酸盐水凝胶中。添加牛血清白蛋白（BSA）以在混合和凝胶化过程中稳定所得的大孔藻酸盐水凝胶结构。凝胶化后，通过真空脱气从水凝胶孔中去除空气并用细胞培养基替换。（B）真空脱气前大孔海藻酸盐水凝胶的代表性光学图像，显示出了肉眼可见的大孔结构。（C）低倍放大和（D）高倍放大的荧光图像（使用罗丹明标记的海藻酸盐）也同样证明该水凝胶具有均匀分布的孔径。（E）测定了真空脱气后大孔海藻酸盐水凝胶的孔径分布，平均孔径约为75 μm，孔径几何分布广泛。
（A）传统块状和大孔藻酸盐水凝胶的孔隙示意图，其中孔内充满空气（空孔）或培养基（填充孔）。（B）比较了传统块状水凝胶和大孔海藻酸盐水凝胶杨氏模量。结果表明，与传统块状海藻酸盐水凝胶相比，具有空气或液体填充孔的大孔水凝胶的杨氏模量明显降低。（C）测试了水凝胶的应力松弛曲线和（D）用高（慢）或低（快）分子量海藻酸盐制备的块状和大孔海藻酸盐水凝胶的半松弛时间。应力松弛试验表明，大孔水凝胶的粘弹性更强，松弛半衰期明显小于块状水凝胶。此外，在使用低分子量和高分子量海藻酸盐制备的水凝胶中，大孔水凝胶的应力松弛速率都有所增加。松弛半衰期分析表明，与充满空气的孔隙的水凝胶相比，具有液体填充孔隙的大孔水凝胶具有更快的松弛速度。这些数据表明，与块状水凝胶相比，大孔水凝胶明显更柔软，且应力松弛速度明显更快。
（A-C）分别制备了孔隙率0%，10%，20%，和30%的水凝胶并比较它们的杨氏模量。结果表明孔隙率越高，其杨氏模量越低，而应力松弛率则越高。（D-F）在没有孔隙的情况下，制备了BSA浓度为0 wt%，0.5 wt%，1 wt%，和2 wt%的水凝胶其中BSA浓度的增加会导致杨氏模量降低，应力松弛率增加。总之，这些数据表明，大孔海藻酸盐水凝胶中观察到的应力松弛率的增加是由孔隙率和BSA浓度决定的。
（A）在低分子量海藻酸盐水凝胶中培养7天的人胚胎肾细胞（HEK293T细胞）球体的代表性荧光图像。（B）封装在传统块状和大孔水凝胶中的HEK293T球体的面积和圆度统计图。结果表明，培养7天后，与传统块状水凝胶相比，大孔水凝胶中培养的球体的面积显著增加、圆度降低，说明大孔水凝胶有利于细胞的迁移。（C）带有荧光细胞周期报告基因（G1，洋红色；S/G2/M，绿色）的HEK293T球体的代表性荧光图像。（D）G1细胞标记阳性细胞面积与S/G2/M细胞标记阳性细胞面积之比统计图。结果表明除了球体形态的变化之外，还观察到大孔水凝胶中封装的球体中处于细胞周期G1期的细胞比例更高，这意味着大孔水凝胶促进了细胞的扩增。
（A）不同孔隙率体积分数的水凝胶包裹细胞球体的代表性模拟。为了解释基质的多孔性质，引入了尺寸为a的珠子。这些多孔珠子随机放置在基质内，与基质的无孔珠子和组织细胞之间仅存在空间排斥力。为了更好地模拟所考虑的水凝胶的结构复杂性，通过随机放置珠子和不同水平的孔隙体积分数（Φ）将孔隙度引入粘弹性基质中。（B、C）通过控制摩擦系数µt（球体粘度）和µm（水凝胶基质粘度），可以控制组织和基质的有效粘度。与实验结果一致，模拟结果预测多孔基质中的球体体积会增加，球形度会降低。（D、E）另外，随着孔隙率体积分数的增加，迁移细胞的比例和细胞迁移的距离会增加。（F）此外，根据封装细胞球体的球形度用颜色编码的热图预测了调节细胞迁移所需的基质粘弹性和孔隙率的组合。这些数据与封装在具有不同孔隙率的传统块状或大孔藻酸盐水凝胶中的HEK293T球体的实验数据基本一致（G-J）。总之，这些结果预测较小的体积分数的孔隙率（≤30%）会显著影响封装细胞球体的行为。小体积分数的孔隙率在短时间内的影响表明孔隙率不仅通过提供用于生长和迁移的开放空间来影响细胞行为，而且还会改变基质的机械性能，从而影响不直接与孔接触的细胞的行为。该预测与对孔隙分布稀疏的块状水凝胶中的球体的实验观察结果一致。
在本研究中，研究者们评估了孔隙率可调的大孔海藻酸盐水凝胶的机械性能，揭示了大孔海藻酸盐水凝胶中水凝胶结构与应力松弛之间的联系。数据显示，与传统块状水凝胶相比，大孔水凝胶的应力松弛速度明显更快。大孔水凝胶的机械性能取决于孔的体积分数、水凝胶凝胶化过程中用于稳定大孔结构的BSA浓度以及海藻酸盐聚合物的分子量。与块状水凝胶中的细胞相比，细胞的封装表明大孔水凝胶中的细胞扩增和迁移增加。最后，通过计算模型生成了第一个基于原理的框架，用于预测水凝胶孔隙度和粘弹性对被封装细胞球体状态的影响。在未来，具有快速应力松弛速率的大孔海藻酸盐水凝胶可能有助于研究基质粘弹性在组织发育或基于材料的细胞治疗中的作用。此外，如果凝胶化速度足够快，可以稳定注射器混合过程中产生的大孔结构，那么工程孔隙度很可能有望用于调整离子交联海藻酸盐以外的水凝胶体系的应力松弛。
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