天然細胞外基質 (ECM) 是一種三維 (3D) 且高度水合的生物大分子網絡，具有非均質分布的剛性基質和細胞適應性的軟基質（圖1）？煽匾-液相分離 (LLPS) 在形成ECM非均質力學結構中發揮著重要作用，其通過濃縮和分隔剛性ECM組分，從而將它們與軟基質分離，隨后共價化學交聯產生細胞尺度非均質力學結構。這些非均質力學結構為調節細胞力學感知提供了重要的生物力學信號，進而影響不同的細胞活動，包括增殖、遷移和分化。因此，制備指導各種細胞活動的仿生ECM水凝膠至關重要。然而，傳統水凝膠的靜態網絡和均勻的基質分布通常會限制細胞-基質相互作用和相關的3D細胞活動，因此無法模擬細胞天然駐留的ECM非均質力學微環境（圖1）。
圖1
受天然ECM形成過程的啟發，華南理工大學生物醫學科學與工程學院邊黎明教授團隊研究開發了一種僅由共價鍵交聯的非均質 (Hetero) 水凝膠，它通過LLPS介導的共價交聯區室化分布實現了細胞（微米）級的網絡結構非均質性和細胞適應性 (圖1)。具體而言，通過定制的可逆加成-斷裂鏈轉移（RAFT）聚合和后續修飾合成了一種溫度響應可光聚合的三嵌段大分子單體 （TRM）。將溫度從 20 °C 提高到 37 °C 可誘導 TRM 的 LLPS形成微米級TRM凝聚液滴；隨后，引入可光聚合 GelMA 稀相溶液，混合形成具有LLPS性質的非均質水凝膠前體溶液（圖2）。在該前體溶液中，TRM主要聚集在致密相微滴中，而 GelMA 處于連續稀相中，隨后通過光引發共價交聯獲得仿生ECM力學微環境的非均質水凝膠（Hetero）（圖 2）。在水凝膠形成過程中，LLPS介導了共價交聯的區室化分布，所形成的細胞尺度微域中高密度共價交聯可以降低其他軟基質區域的交聯密度，從而促進細胞延展所需的基質重塑（圖3）。所獲得的完全共價鍵交聯的仿生非均質水凝膠能顯著促進包封的間充質干細胞（hMSCs）的星形鋪展、力學轉導及自噬通量循環，從而增強成骨分化與骨再生。這項研究打破了傳統共價交聯水凝膠不適用于三維細胞培養的束縛，不僅為通過LLPS介導的組裝構建仿生ECM生物材料提供了有價值的指導，同時闡明了通過 ECM的力學信號調節三維細胞發育的生物學機制。
圖2. LLPS介導非均質水凝膠（Hetero）的制備。
圖3. 非均質水凝膠的結構非均質性和細胞適應性
該工作以“Liquid–Liquid Phase Separation-Mediated Cellular-Scale Compartmentalization of Hydrogel Covalent Cross-Linking Promotes Microtubule-Based Mechanosensing”為題發表在《Journal of the American Chemical Society》上(J. Am. Chem. Soc. 2025)。華南理工大學生物醫學科學與工程學院副研究員趙劍陽博士，2024級博士生胡媛和中山大學附屬第一醫院的李昊博士為文章的共同第一作者，華南理工大學邊黎明教授、張琨雨副教授，中山大學附屬第六醫院宋斌副主任醫師為共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金、中國博士后科學基金、廣東省自然科學基金等項目的支持。
該工作是團隊近期關于仿生ECM力學微環境水凝膠和三維細胞命運調控相關研究的最新進展之一。天然ECM非均質細胞自適應力學微環境是促進細胞生長發育的核心要素之一，然而其復雜性給仿生ECM生物材料的制備以及細胞發育調控研究帶來了重大挑戰。為此在過去的幾年中，團隊通過設計凝膠網絡超動態性，系統探索了水凝膠所介導的力學信號對三維包封的干細胞生長發育的影響，揭示了凝膠網絡結構對細胞力學轉導、代謝和分化的調控機制(Nat. Commun. 2021, 3514; Adv. Mater. 2024, 202307176; Nat. Commun. 2025, 2711)。同時，團隊發展了納米尺度非均質動態水凝膠用于三維干細胞培養，并探索了納米級非均質剛性結構促進干細胞力學感知的行為機制（Mater. Horizen. 2021, 8, 1722-1734；J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 28, 15218–15229）。考慮到天然ECM的微米級結構非均質性，近年來，團隊開發了LLPS策略驅動水凝膠微米級大孔結構的組裝形成，進而構建微米尺度非均質水凝膠，并實現了利用這類水凝膠進行三維細胞培養和相關細胞發育機制的探索（Adv. Mater. 2023, 202300636）。這些策略為構建仿生ECM微米級非均質力學微環境生物材料以及相關生物學效應和機制提供了新的見解。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c00079
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