引言

细胞外基质 (Extracellular Matrices, ECMs) 的弹性和粘弹性能显著影响细胞的功能和形态。天然的 ECMs 普遍具有粘弹性，在恒定变形下呈现出梯度化的应力松弛。然而，天然 ECMs 的成分复杂且不可控，其弹性和应力松弛相互关联，且不能单独调控。由于其难以作为研究应力松弛影响细胞行为的模型，因此适宜相关研究模型的构建是亟待解决的问题。基于此，来自南京大学的曹毅教授团队与国科温州研究院的于文婷博士在 International Journal of Molecular Sciences (IJMS) 期刊发表了文章，设计了一种具有可控应力松弛梯度和恒定弹性的水凝胶，且该水凝胶的应力松弛梯度能够显著调控细胞行为，该项研究对系统研究细胞培养和类器官结构中的应力松弛梯度具有重要价值及意义。

研究过程与结果

如图1 所示，作者在文中设计并制备了具有可控应力松弛梯度和恒定弹性的水凝胶 (SRG 水凝胶)。SRG 水凝胶由丙烯酰胺、四臂 PEG-Aclt、PH6 多肽和 Zn2+ 组成，其中四臂 PEG-Aclt 为共价交联点，PH6 多肽与 Zn2+ 配位形成的络合物 (PH6-Zn2+ 络合物) 为动态交联点。作者通过将不同 PEG 浓度的前驱体溶液逐层加入模具，通过分子扩散形成共价交联点梯度，并通过迅速光照成胶固定共价交联梯度。然后，作者通过将水凝胶梯度浸泡在 ZnCl2 溶液中，得到动态交联点梯度。在 SRG 水凝胶的长轴上，动态交联点的比例 (PH6-Zn2+ 络合物的交联点密度/所有交联点的总密度) 在 0%~68% 之间变化。力学测试结果表明，SRG 水凝胶各个位置的杨氏模量均为 140 kPa，而应力松弛幅度则从 12.88 kPa 增至 36.56 kPa，增长了近两倍。这些结果表明，逐层构建预凝胶和梯度浸泡金属离子溶液的方法，能够制备弹性一致、应力松弛幅度呈梯度的水凝胶。这一方法成功制备出应力松弛梯度可独立于弹性调控的生物材料，在很大程度上弥补了天然 ECMs 的不足，这对于系统性研究细胞行为的受控条件具有重要意义。

图1. SRG 水凝胶示意图：(A) SRG 水凝胶的制备方法示意图；(B) SRG 水凝胶的网络结构示意图。

进而，作者在文中将 L929 细胞、HeLa 细胞种在 SRG 水凝胶表面，进行了 15 个小时的显微镜拍照观察，如图2 所示。作者通过对细胞形态数据进行统计发现，SRG 水凝胶不同位置的细胞密度没有显著性差异，但细胞铺展的水平明显不同。随着 SRG 水凝胶应力松弛幅度的增加，梭形细胞数量减少，细胞面积和铺展速度也减小，细胞圆度显著增加。这些研究结果表明，在固定弹性大小的表面，应力松弛振幅的增强能够显著抑制细胞的扩散行为。作者进一步推测了这种抑制作用是因为 SRG 水凝胶中存在的动态配位交联点会使水凝胶对细胞牵引力的阻力逐渐松弛，因此在一定程度上阻止了细胞的铺展。

图2. L929 细胞在 SRG 水凝胶表面的显微镜观测照片：(A) 不同时间、位置的细胞照片；(B) 细胞铺展 15 小时后的剪影和荧光染色；(C) 细胞在 SRG 水凝胶表面的照片。

研究总结

本文设计了一种具有恒定杨氏模量和可控应力松弛梯度的水凝胶，详细介绍了通过改变配位和共价交联点的比例调控水凝胶应力松弛梯度的方法，并对梯度水凝胶不同位置进行了全面的力学表征，其杨氏模量基本相同，但应力松弛幅度相差近两倍。本文还研究了多种细胞在 SRG 水凝胶表面的铺展行为，发现了细胞铺展在应力松弛幅度较大的水凝胶表面被抑制。这些研究结果为独立调节水凝胶的应力松弛提供了一种通用的途径，并且对于系统地研究细胞行为影响因素、开发具有应力松弛梯度的细胞培养和类器官材料具有重要的价值和意义。

原文出自 IJMS 期刊

Yu, W.; Sun, W.; Chen, H.; Wang, J.; Xue, B.; Cao, Y. Gradual Stress-Relaxation of Hydrogel Regulates Cell Spreading. Int. J. Mol. Sci. 2022, 23, 5170.

IJMS 期刊介绍

主编：Maurizio Battino, Marche Polytechnic University, Italy

期刊发表生物化学与分子生物学、生物材料、生物物理、生物医学、化学和纳米科学等分子相关领域研究，已被 Scopus、SCIE (Web of Science)、PubMed 等数据库收录。

2021 Impact Factor：6.208

2021 CiteScore：6.9

Time to First Decision：16 Days 

Time to Publication：34 Days