英文原题：Design and Fabrication of Viscoelastic Hydrogels as Extracellular Matrix Mimicry for Cell Engineering
通讯作者：Junji Zhang (张隽佶), 华东理工大学
作者： Zi-Yuan Li (李自远)
背景介绍
粘弹性是指一种材料同时具备弹性和粘性的特性。具体来说，弹性材料能够在外部应力消失后恢复至原始形状，而粘性材料则在形变过程中会消耗部分能量。这种特性在生物组织中普遍存在，例如软骨、肌肉和皮肤等，这些组织的粘弹性使其能够有效地承受并分散外力，同时维持自身的结构稳定。生物组织中的粘弹性主要源自细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）的独特物理属性和结构特征。具体来说，ECM是一个由多种生物分子，如胶原蛋白、弹性蛋白、蛋白聚糖、糖蛋白及非胶原蛋白等组成的复杂网络，这些成分协同作用，构建了一个三维的动态支持框架，不仅为细胞提供了必要的力学环境，还支持着细胞的各种生命活动。
水凝胶是一类高度吸水的三维网络结构材料，其结构稳定性和功能性依赖于内部形成的交联网络。根据交联机制的不同，可以将水凝胶的交联方式大致分为两大类：物理交联和化学交联。物理交联主要包括氢键、疏水作用、供体-受体识别、金属离子配位以及主-客体相互作用等；而涉及粘弹性的化学交联主要为动态共价键，比如希夫碱反应、硼酸酯键和二硫键交换等。这两种交联方式的可逆特性，可使水凝胶具备粘弹性并能够模拟生物组织的动态力学行为，因而在细胞培养、组织工程、生物打印、药物递送系统及人工器官开发等多个领域展现出广泛的应用潜力。
文章亮点
该综述深入探讨了用于细胞工程的粘弹性水凝胶设计与制备。首先介绍了水凝胶的粘弹性参数种类，包括储存模量、损耗模量、杨氏模量、应力松弛和蠕变等关键参数，并概述了这些特性的常用表征技术。接着，文章详细分析了不同构建方式和微环境条件如何影响水凝胶的粘弹性表现，特别关注了含有各种动态交联机制的粘弹性水凝胶的设计理念与合成策略。此外，作者回顾了一些文献中报道的用于细胞力学研究的粘弹性水凝胶案例，强调了这些材料在模拟天然细胞外基质方面的效果与意义。最后，文章深入探讨了两种粘弹性参数，机械强度和应力松弛特性的单独变化与协同变化对细胞行为和命运的调控，揭示了粘弹性材料研究对于开发下一代生物材料具有重要意义。鉴于粘弹性水凝胶在组织工程和生物医学领域展示出的巨大发展潜力，本综述旨在为相关领域的科研工作者提供宝贵的参考信息和理论支持，促进该领域的进一步发展和创新。
图1. (a) 频率扫描测试下粘弹性水凝胶的储存（G '）和损失（G″）模量。(b) 时间扫描测试下粘弹性水凝胶的储存（G '）和损失（G″）模量。(c) 在应力松弛测试中施加恒定的应变。(d) 在蠕变测试中施加恒定应力
总结/展望
本文聚焦基于粘弹性水凝胶的设计与制备，深入探讨了两个核心粘弹性参数（机械强度和应力松弛）对细胞行为和命运的影响。此外，文章还剖析了当前水凝胶与细胞在力学交互领域面临的主要挑战：首先，如何严格地解耦水凝胶的粘弹性，以探究单一粘弹参数对细胞的诱导机制；其次，如何优化凝胶的设计，以确保粘弹性在长期生物应用过程中保持稳定或实现粘弹性的长期监测；最后，如何推动粘弹性参数测量方法的标准化，以便于不同研究团队之间的有效合作和数据交流，进而产出更加可靠和一致的研究成果。我们相信，随着材料科学、细胞生物学及生物医学工程领域的持续发展，文中提出的挑战将逐步得到克服。这不仅将推动粘弹性水凝胶技术的进步，还将极大地促进其在细胞生物学研究和临床医疗实践中的广泛应用，开启生物材料科学的新篇章。
相关论文发表在Chem & Bio Engineering上，华东理工大学特聘副研究员李自远博士为文章的第一作者，张隽佶教授为通讯作者。
通讯作者介绍
张隽佶 教授
张隽佶，华东理工大学化学与分子工程学院教授、博士生导师，国家优秀青年基金获得者。2012年博士毕业于华东理工大学应用化学专业，2017年国家留学基金委公派赴以色列希伯来大学进行访问学者研究工作。至今已发表论文70余篇，其中第一/通讯作者发表论文40余篇，包括J. Am. Chem. Soc.3篇，Nat. Commun.2篇，Angew. Chem. Int. Ed.2篇，CHEM1篇等，申请中国发明专利8项，著有光致变色染料专著1部（《Photochromic Materials: Preparation, Properties and Applications》，Wiley-VCH，2016年出版）。任中国化学快报（Chinese Chemical Letters）、《精细化工》、《化学学报》等期刊青年编委。
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Chem Bio Eng. 2024, ASAP
Publication Date: October 8, 2024
https://doi.org/10.1021/cbe.4c00129
© 2024 The Authors. Co-published by Zhejiang University and American Chemical Society.
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