水凝膠材料的力學(xué)特性與其對細胞的調(diào)控作用機制

水凝膠是生物醫(yī)用領(lǐng)域的重要生物材料，也是研究熱點。但人體內(nèi)細胞與組織的微環(huán)境和調(diào)控機制復(fù)雜，水凝膠的應(yīng)用仍存在一些待解決的疑問。隨著生物力學(xué)的發(fā)展，越來越多的研究者發(fā)現(xiàn)除水凝膠的材料及生物學(xué)特性以外，生物力學(xué)特性也是調(diào)控細胞功能、影響組織再生修復(fù)的關(guān)鍵因素之一。

水凝膠是一種以水為分散介質(zhì)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚合物材料，因其良好的生物相容性、藥物負載和緩釋特性、多孔結(jié)構(gòu)、滲透性和親水性，尤其是其高度類似于人體組織的吸水及保濕能力，一直是組織工程與再生醫(yī)學(xué)的研究熱點。

細胞外基質(zhì)(ECM)是細胞生長的微環(huán)境，由各種蛋白質(zhì)和多糖組成，可以調(diào)節(jié)生長、發(fā)育和死亡等各種細胞行為。細胞與ECM之間的緊密聯(lián)系，使它們能夠敏銳地感知外部環(huán)境的變化。當(dāng)ECM力學(xué)特性發(fā)生變化時，細胞會感知并做出響應(yīng)，從而導(dǎo)致細胞分化、增殖、生長、遷移、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等一系列生物學(xué)功能的變化。水凝膠作為具有廣闊應(yīng)用前景的類ECM生物材料，其力學(xué)設(shè)計將對細胞生長增殖、分化及其功能的發(fā)揮產(chǎn)生直接影響。

彈性模量（剛度），指材料在受力時的彈性形變能力，是評估生物組織及生物材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)。不同器官的力學(xué)性能決定組織功能并調(diào)節(jié)細胞行為。人體不同組織彈性模量存在較大差異，跨越多個量級，如人體皮膚的彈性模量為0.9-20 kPa，骨骼的彈性模量為3-30 GPa 。組織的彈性模量對細胞功能的發(fā)揮至關(guān)重要，疾病的發(fā)生發(fā)展都伴隨著組織彈性模量的異常。ECM的彈性模量與細胞分泌胞外基質(zhì)成分及其胞外基質(zhì)蛋白相關(guān)修飾等因素密切相關(guān)。因此構(gòu)建具有再生修復(fù)功能的水凝膠材料時，其彈性模量對細胞生長分化、細胞功能的正常發(fā)揮都極為重要。

黏彈性是一個具有時間維度的力學(xué)參數(shù)，主要體現(xiàn)為應(yīng)力松弛、蠕變、率相關(guān)等應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)。黏彈性作為天然組織的一種常見和基本的力學(xué)特征，已在活體組織和器官中得到廣泛驗證，包括皮膚、肌肉、軟骨、血管、肌腱、大腦、肝臟、乳房和胚胎等 。組織的黏彈性主要源于ECM和細胞生物化學(xué)成分和組織特異性結(jié)構(gòu)的多樣性。ECM富含生物大分子物質(zhì)，如蛋白聚糖、透明質(zhì)酸、膠原蛋白、纖維蛋白和層黏連蛋白，其力學(xué)行為表現(xiàn)出時間依賴性。細胞對其周圍的動態(tài)微環(huán)境進行感知和響應(yīng)，以實現(xiàn)細胞功能。

1.1 水凝膠彈性模量

由于水凝膠材料與椎間盤髓核組織相近的特性，許多學(xué)者開發(fā)了針對椎間盤退變、替代髓核的水凝膠支架材料，并研究了彈性模量對髓核細胞的調(diào)控作用。研究發(fā)現(xiàn)低模量基質(zhì)可促進髓核來源干細胞增殖及成軟骨分化，而高模量基質(zhì)可促進其成骨分化，表明髓核細胞的分化受基質(zhì)剛度有效調(diào)節(jié)。富含層黏連蛋白的柔軟基質(zhì)可促進髓核細胞增殖、細胞形態(tài)、細胞間相互作用和蛋白多糖的產(chǎn)生，提示基質(zhì)剛度可調(diào)節(jié)細胞的生存。基質(zhì)剛度提高，可促進髓核細胞鋪展面積、高度等形態(tài)變化，并且可激活TRPV2和PI3K/AKT信號通路，線粒體釋放細胞色素C，促進髓核細胞凋亡。通過水凝膠來模擬退變髓核組織，發(fā)現(xiàn)提高基質(zhì)剛度，可通過激活YAP/TEAD1/Cyclin B刺激髓核細胞的增殖，加劇髓核組織纖維化。此外，提高基質(zhì)剛度，可誘導(dǎo)YAP通過酰基輔酶A合成酶長鏈家族成員4(ACSL4)介導(dǎo)髓核細胞脂質(zhì)過氧化和鐵死亡。

除髓核細胞外，光介導(dǎo)硬化交聯(lián)水凝膠相關(guān)研究表明，在硬化后的水凝膠上，細胞產(chǎn)生牽引力和YAP/TAZ核穿梭減少， 肝星狀細胞活化減少。較軟的基質(zhì)可促進腫瘤組織內(nèi)動力蛋白相關(guān)蛋白(Drp1)線粒體聚集，導(dǎo)致胞內(nèi)Ca2+升高，從而誘導(dǎo)線粒體碎裂和Parkin/PINK1介導(dǎo)的線粒體自噬。使用動態(tài)水凝膠培養(yǎng)間充質(zhì)干細胞(MSC)，隨后期水凝膠硬化，MSC表現(xiàn)出顯著升高的成骨ECM分泌、基因表達和YAP通路的激活，體內(nèi)評估進一步表明，動態(tài)硬化對MSC成骨的增強顯著促進了骨重建?；|(zhì)的剛度還可用于指導(dǎo)破骨細胞的命運，增加基質(zhì)剛度可抑制整合素β3介導(dǎo)的Rho-ROCK2-YAP力學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)，促進破骨細胞的生成。

1.2 水凝膠彈性模量調(diào)控細胞功能的相關(guān)機制

細胞為與周圍的力學(xué)環(huán)境相協(xié)調(diào)，需將外部力學(xué)刺激轉(zhuǎn)化為影響基因表達的相關(guān)生化信號，這一過程被稱為力學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)。力學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)始于整合素和其他黏附蛋白探測微環(huán)境的物理特征，然后通過肌動蛋白的收縮性和F-肌動蛋白(F-actin)骨架來調(diào)節(jié)自身張力狀態(tài)以平衡細胞外力，進而產(chǎn)生相關(guān)生物信號并在細胞中傳導(dǎo)。

研究表明，轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子YAP/TAZ在細胞力學(xué)信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中發(fā)揮重要作用。YAP/TAZ是兩個高度相關(guān)的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，主要分布于細胞質(zhì)與細胞核中。YAP/TAZ活性受F-actin細胞骨架的構(gòu)象和分裂調(diào)節(jié)，而F-actin的構(gòu)象和分裂主要取決于細胞黏附的基質(zhì)。在大而堅硬的基質(zhì)上細胞形態(tài)鋪展，非肌肉肌球蛋白Ⅱ驅(qū)動形成細胞骨架及ROCK表達水平升高，激活YAP/TAZ通路；反之在較軟或較小的基質(zhì)上細胞變圓，黏附面積減少，抑制YAP/TAZ通路。在一定程度上，水凝膠基質(zhì)剛度等微環(huán)境可通過影響YAP/TAZ的力學(xué)傳導(dǎo)來決定細胞命運。通過剛度可調(diào)節(jié)聚丙烯酰胺水凝膠體系進行多能干細胞衍生胚狀體研究3D培養(yǎng)。

水凝膠的剛度可誘導(dǎo)干細胞中YAP相關(guān)蛋白力學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)因子的剛度依賴性激活與肌動蛋白細胞骨架重排，進而影響干細胞的分化方向。基質(zhì)剛度可通過整合素聚集F-actin來影響細胞的形態(tài)及其產(chǎn)生張力的能力， 調(diào)控YAP/TAZ通路，進而調(diào)控細胞的功能。例如肝纖維化現(xiàn)在被認為是肝硬化患者肝再生特性喪失和癌癥出現(xiàn)的一個重要因素，堅硬ECM的形成主要因為肝星狀細胞轉(zhuǎn)分化為肌成纖維細胞。這種轉(zhuǎn)化是YAP/TAZ依賴性的，通過強化基底材料可導(dǎo)致YAP/TAZ活化和纖維化。

水凝膠基質(zhì)剛度作為一種力學(xué)刺激，其在細胞內(nèi)的傳導(dǎo)過程也依賴于對力學(xué)敏感的離子通道。Piezo1作為一種力學(xué)敏感離子通道，其可被肌動蛋白骨架拖動并在相關(guān)力學(xué)刺激下誘發(fā)門構(gòu)象變化，調(diào)控陽離子選擇性跨膜運輸進而調(diào)控細胞生長增殖與分化。

心肌素相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子(MRTF-A)主要分布于細胞質(zhì)，是一類對胞外力學(xué)刺激信號敏感的轉(zhuǎn)錄輔激活因子，其可與G-actin結(jié)合。力學(xué)刺激信號促進F-actin組裝消耗細胞質(zhì)內(nèi)G-actin，導(dǎo)致游離狀態(tài)MRTF-A增多導(dǎo)致穿梭入核的數(shù)量大于出核數(shù)量，引起胞核MRTF-A水平升高。隨水凝膠基質(zhì)剛度增加，導(dǎo)致F-actin聚集細胞呈現(xiàn)扁平擴散狀，核內(nèi)MRTF-A水平升高，髓核細胞標(biāo)志物表達降低并伴隨生物合成功能降低。細胞膜上及胞質(zhì)中力學(xué)敏感相關(guān)蛋白可感知基質(zhì)剛度，并將力學(xué)信號轉(zhuǎn)化為生化信號，進而對細胞或周圍細胞的功能產(chǎn)生影響。

2.1 水凝膠黏彈性

隨著生物力學(xué)的發(fā)展，越來越認識到ECM動態(tài)力學(xué)特性對細胞行為的調(diào)控、維持組織生理狀態(tài)、病理的發(fā)生與發(fā)展以及組織再生修復(fù)的重要性?；|(zhì)黏彈性可以影響細胞的各種行為，包括細胞黏附、遷移、增殖以及干細胞分化，甚至影響ECM合成。水凝膠的黏彈性也是組織再生修復(fù)中的關(guān)鍵因素之一。

椎間盤處于動態(tài)力學(xué)環(huán)境中，黏彈性在維持椎間盤穩(wěn)態(tài)中起著至關(guān)重要的作用。髓核通過負電荷的糖胺聚糖(GAG)調(diào)節(jié)組織滲透壓負責(zé)水的吸收和保留而賦予其黏彈性特性。在椎間盤退變的過程中，髓核含水量逐漸降低，ECM中的膠原以及蛋白多糖被降解，糖胺聚糖含量降低，導(dǎo)致其力學(xué)性能發(fā)生變化，特別是黏彈性行為出現(xiàn)明顯的丟失。

2.2 基質(zhì)黏彈性的力學(xué)傳導(dǎo)及調(diào)控機制

雖然天然水凝膠在細胞培養(yǎng)中得到了廣泛應(yīng)用，但黏彈性的生物學(xué)影響近些年才引起關(guān)注。細胞生物學(xué)行為，包括黏著斑的形成、細胞擴散、MSC分化、細胞遷移和ECM合成，都受基質(zhì)黏彈性而非初始彈性模量的調(diào)節(jié)。細胞對基質(zhì)的動態(tài)力學(xué)重塑由黏彈性性質(zhì)實現(xiàn)。

基質(zhì)黏彈性能可通過黏著斑(FA)將力學(xué)刺激傳導(dǎo)到細胞中并啟動后續(xù)信號通路，F(xiàn)A可通過跨膜受體（如整合素）將細胞內(nèi)肌動蛋白細胞骨架束與ECM成分動態(tài)連接。FA的形成也受到基質(zhì)黏彈性的影響，并且在具有更快弛豫的水凝膠中觀察到促進FA的形成。關(guān)鍵力學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo)因子YAP/TAZ也與基質(zhì)黏彈性調(diào)控細胞密切相關(guān)，YAP/TAZ也在具有快速應(yīng)力弛豫的基底上的核定位增強?；酿椥哉{(diào)控細胞行為與YAP在細胞中的定位相關(guān)。

3.1 水凝膠的循環(huán)力學(xué)特性

人體內(nèi)的生理載荷大多是動態(tài)循環(huán)載荷，因此對于水凝膠其循環(huán)力學(xué)性能直接影響其力學(xué)可靠性和結(jié)構(gòu)完整性。具有良好循環(huán)性能的水凝膠應(yīng)該能夠在多次加載和卸載循環(huán)中保持其力學(xué)強度和形狀恢復(fù)能力，而不會發(fā)生斷裂或失去功能。

3.2 水凝膠力學(xué)特性與動態(tài)載荷協(xié)同

細胞的自然力學(xué)環(huán)境除了ECM的力學(xué)特性，還有從外部載荷施加到細胞上的剪切力、張力和壓縮力等。組織力學(xué)特性與動態(tài)載荷協(xié)同調(diào)控細胞周圍力學(xué)微環(huán)境，維持組織正常的結(jié)構(gòu)與功能。因此，許多研究開始探討多模式力學(xué)刺激來調(diào)節(jié)細胞行為，包括彈性、黏彈性、基質(zhì)形貌和外部力學(xué)刺激。

4.1 水凝膠的力學(xué)強度

水凝膠材料用于代替或者修復(fù)受損的生物組織時，與周圍組織一起提供力學(xué)支撐和保護，因此需要足夠的力學(xué)強度來承受生理載荷。盡管與其他生物材料相比，水凝膠的強度相對較低，但學(xué)者們?nèi)灾铝τ陂_發(fā)具有高強度、高韌性和良好的回彈性能的水凝膠材料。

4.2 水凝膠的降解力學(xué)特性

水凝膠的降解性能直接影響其在體內(nèi)的生物相容性和生物力學(xué)特性。在降解過程中，水凝膠仍需要一定的力學(xué)特性來匹配修復(fù)組織及周圍的力學(xué)環(huán)境。目前應(yīng)用于大段骨缺損、皮膚等承重部位的可降解水凝膠有很多相關(guān)研究，但對于材料應(yīng)用過程中的降解力學(xué)性能研究仍存在很多空白，未來應(yīng)予以關(guān)注。