在生物材料和组织工程领域，水凝胶作为一种模拟细胞外基质（ECM）的结构和功能的材料，受到了广泛关注。水凝胶不仅能够为细胞提供物理支撑，还能促进细胞生长和组织再生。然而，传统的水凝胶通常表现出各向同性特征，且其纳米多孔结构复杂，限制了细胞的渗透。相比之下，微凝胶因其独特的微尺度几何形状和高表面积-体积比，更有效地促进营养物质和废物的交换，增强细胞间的动态相互作用，从而在组织工程中显示出巨大潜力。
随着微凝胶技术的发展，研究者开始探索如何将这些微尺度结构模块化，以构建具有更大层次结构的宏观水凝胶。这种模块化方法允许对微凝胶和宏观凝胶的分子组成进行精确控制，从而在空间上精确模拟生物组织的复杂性。此外，超分子化学的引入为水凝胶的设计提供了新的可能性，通过非共价相互作用，如氢键、疏水相互作用等，赋予材料动态性和适应性，这对于开发新型生物材料和生物医学设备具有重要意义。
综上，埃因霍温理工大学Patricia Y.W. Dankers等人利用四重氢键的尿素吡啶酮（UPy）单体，通过不同的功能化单体、双功能交联剂比例以及超分子染料和肽的引入，精确调控微凝胶的性质。这些微凝胶仅通过非共价相互作用组装而成，展示了在单体浓度、交联剂比例以及功能化方面的模块化调整能力。
1.主要内容
图1 微凝胶的制备过程和分子设计
如图1所示，展示了微凝胶的基本组成单元，即通过超分子化学方法构建的UPy单体，以及这些单体如何自组装形成微凝胶。同时，上图还阐述了微凝胶的功能化策略，包括通过添加染料来标记微凝胶，以及通过整合细胞粘附肽来增强细胞与微凝胶的相互作用。此外，还描述了微凝胶如何被用作构建模块，以形成具有特定功能的宏观水凝胶。这些宏观水凝胶可以是动态变化的，也可以是结构稳健的，并且可以根据需要进行功能化定制。
图2 超分子UPy系统在微凝胶组成上的模块化调控能力
通过改变B型和M型单体在微凝胶中的摩尔比，可以调节分子交换动力学，影响微凝胶的机械性能。此外，上图还展示了如何通过调整单体浓度来制备不同浓度（例如0.6%，1.25%，2.0%，和2.5% w/v）的微凝胶，并且通过控制微流体流速来精确控制微凝胶的大小。上图还包含了微凝胶在不同pH条件下的稳定性测试结果，显示了微凝胶在酸性、生理性和碱性条件下的直径随时间的变化，从而评估了微凝胶的稳定性。
图3 微凝胶和宏观凝胶的力学性能比较
使用了毛细管微力学技术来测量单个微凝胶的力学特性，包括剪切模量和体积模量。这些测量帮助研究者了解了微凝胶在微观层面上的机械强度和响应性。此外，利用流变学来评估宏观凝胶的弹性（G'）和粘性（G''）特性，并通过应力松弛测试来量化宏观凝胶的动态行为。这些测试结果提供了宏观凝胶在宏观层面上的力学性能数据，与微凝胶的微观力学性能进行了对比。
图4 微凝胶的相对力学性能
通过布里渊频率偏移（ν_B）的三维映射，图中显示了微凝胶的硬度分布，其中硬度更高的区域表现出更高的频率偏移。还反映了微凝胶在不同时间点的直径变化，包括在PBS中存放34天后以及在宏观凝胶中嵌入17天后的尺寸。此外，通过量化了微凝胶和宏观凝胶背景的布里渊频率偏移，揭示了微凝胶对宏观凝胶力学性能的影响，表明微凝胶的存在增强了宏观凝胶的机械性能。这些结果提供了微凝胶在不同浓度下的力学特性，并展示了它们在宏观结构中的相互作用。
图5 微凝胶的生物活性调节及其对细胞行为的影响
这些微凝胶通过整合UPy-cRGD肽以增强细胞粘附，与仅含染料的生物惰性微凝胶形成对比。图中观察到，与生物活性微凝胶接触的细胞展现出明显的扩展行为，而与生物惰性微凝胶接触的细胞则保持较小且圆形。此外，上图还展示了细胞如何在生物活性微凝胶上通过细胞-细胞和细胞-材料相互作用自我组装成微组织结构。这种自我组装现象是由细胞驱动的，导致微凝胶之间形成空隙，创建了促进细胞生长和组织形成的微孔隙结构。证实了细胞对微凝胶组成的选择性，展示了细胞如何在生物活性和生物惰性微凝胶的混合物中仅选择性地粘附到生物活性微凝胶上。
图6微凝胶与超分子宏观凝胶结合形成多室水凝胶系统的能力
在稳健的宏观凝胶中，微凝胶作为微观构建块，通过增加额外的交联点来增强宏观凝胶的机械性能，而不影响其粘弹性。在弱宏观凝胶中，微凝胶的加入显著提高了凝胶的刚度，同时保持了凝胶的粘弹性质。共聚焦显微镜图像显示了微凝胶在宏观凝胶中的分布，证实了微凝胶可以作为稳定的微观领域整合到宏观凝胶中，为构建复杂的多相水凝胶结构提供了模块化的策略。
2.全文总结
本文通过超分子化学方法成功开发了具有精确调控特性的模块化、动态微凝胶和复合宏观凝胶，这些凝胶能够通过非共价相互作用自组装形成，并在细胞培养中展现出生物活性，为组织工程和生物医学应用提供了新的材料平台。未来的研究方向包括优化材料性能、扩展功能化、构建多尺度结构、探索临床应用、开发药物递送系统以及结合生物打印技术，这些研究有望推动超分子水凝胶在再生医学、药物递送和生物传感器等领域的实际应用，为未来的生物医学研究和临床治疗提供创新解决方案。
文章来源：
https://doi.org/10.1002/adma.202405868
