MIT趙選賀教授《AM》綜述：工程化活性水凝膠

水凝膠，一類柔軟、溼潤且具有生物相容性的材料，現已被廣泛用作工程化活細胞的基質。近日，麻省理工學院趙選賀教授課題組以題爲“Engineered Living Hydrogels”在《 Advanced Materials》雜誌上發表了綜述文章，討論了水凝膠基質和工程化活細胞之間的相互作用，重點討論了水凝膠如何影響細胞行爲以及細胞如何影響水凝膠性質。還討論了工程化活性水凝膠與其環境之間的相互作用，以及這些相互作用如何實現多功能的應用。最後，作者強調了工程化活水凝膠在臨牀和環境應用領域面臨的挑戰。

水凝膠基質爲活細胞提供各種化學和物理線索，以調節細胞行爲；相反，活細胞具有多種功能，可以改變水凝膠的機械和功能特性。研究人員以工程化的活性水凝膠爲平臺，研究微生物細胞和水凝膠材料的基礎知識及其相互作用。反過來，這些知識可以應用於改善工程化活性水凝膠的性能，並將其應用範圍擴展到生物醫學、工業和環境保護等方向。衆所周知，微生物細胞在我們的身體和地球的發展和維持中起着至關重要的作用，在本綜述中，細胞或微生物細胞指微生物，尤其是細菌和真菌。

圖1：細胞和水凝膠相互作用

【水凝膠基質的類型】

根據水凝膠基質的結構，工程化的活性水凝膠可分爲三種類型：細胞生成水凝膠、合成水凝膠和水凝膠腔室。在細胞生成水凝膠和合成水凝膠中，活的微生物細胞分散在整個水凝膠結構中。爲了將活的微生物細胞封裝在合成水凝膠中，首先需要將細胞分散在未交聯的溶液中，然後在製造過程中對含有細胞的溶液進行交聯；或者在製造後將活微生物細胞引入合成水凝膠的孔或通道中。這比細胞生成的生物膜基質具有更可控的化學成分和微觀結構。而水凝膠腔室是通過軟光刻或3D打印構建的，細胞被包含在內部的中空空間中。

圖2：具有代表性的水凝膠基質

【水凝膠對活細胞的影響】

在化學組成上，聚合物網絡的一個要求是保持封裝微生物細胞的活力，保護它們免受惡劣環境條件的影響。除了影響生存能力外，具有不同化學性質的水凝膠還可以調節細胞的黏附。此外，水凝膠的分子結構和微觀結構產生了營養物質、代謝物、氧氣和信號刺激物的空間異質性。這些化學物質在水凝膠基質中的異質分佈決定了微生物細胞的排布，並調節了嵌入的微生物細胞的生長、運動、信號、代謝和反應。

圖3：聚合物網絡的化學組成影響細胞動力學

在單細胞水平上，水凝膠結構施加的空間收縮會影響微生物細胞的運動，改變微生物細胞的形態。而在種羣水平上，微觀結構是限制細胞分裂和種羣增長的物理屏障。事實上，水凝膠基質中的各種機械力可以積極調節細胞表型，包括形態、生長、粘附、運動以及生物膜的形成和分佈。

圖4：水凝膠的機械約束影響細胞動力學

【活細胞對水凝膠的影響】

微生物生產的生物聚合物可爲工業和醫療應用創造許多新的結構。通過調整細胞培養參數，可以進一步調節細胞生成水凝膠的機械和物理性質。微生物細胞中的部分代謝物可以修復基質材料中的裂縫，現有的一些水凝膠基質還可以被活細胞強化，從而提高機械強度。相反的是，微生物細胞的數量增長會使水凝膠變形、機械斷裂；另一方面，微生物可以觸發自然界多種天然聚合物的化學降解。此外，通過應用外部線索或工程基因電路，微生物細胞羣和細胞表型可以被用來在材料上產生動態圖案，這些圖案可以代表複雜的任務，包括計算、圖像處理和顯示等。

圖5：活細胞在水凝膠上生成圖案

【工程活性水凝膠的應用】

工程化的活性水凝膠可以與外部環境相互作用，微生物細胞通常會對環境變化發揮積極作用，而水凝膠基質通常充當被動支架，用於維持細胞活力、化學物質擴散和光的傳輸。在大多數情況下，水凝膠不會顯著干擾細胞的活性功能，但在某些情況下，水凝膠參與信號的轉導、放大和讀出。工程活性水凝膠與環境之間的雙向通信促進了它們作爲健康或疾病治療傳感器、環境污染治理方案、機械能轉換執行器和電能轉換電池的應用。

圖6：可產生化學能、電能或機械能的工程化活性水凝膠

【總結與展望】

工程、生物學和材料科學的融合爲將活細胞整合到軟材料中提供了前所未有的機會。這種整合產生了具有自我複製、自我調節和環境響應能力的工程化活性水凝膠。本文綜述了水凝膠與微生物細胞之間的相互作用，以及工程生物水凝膠與環境之間的相互作用，對這些基本相互作用的理解爲活性水凝膠的合理設計和製造提供了基礎，並且可以促進活性水凝膠的技術革新。展望未來，加速工程化活性水凝膠在現實生活中的未來應用將需要工程師、生物學家、臨牀醫生、監管機構等人羣之間的合作。一旦相關的倫理、法律和社會影響得到徹底探索，就可以構建所需的工程化活性水凝膠，從健康管理到環境修復再到基礎設施建設，滿足各種社會需求。

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來源：高分子科學前沿

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