氨基酸和多肽类超分子水凝胶在细胞三维培养中的应用研究与展望

在细胞生物学研究中,二维(2D)培养已被广泛应用,但这种平面培养导致细胞生长方式与机体内立体环境差别很大,使细胞各种行为(如形态、分化、细胞与基质间的相互作用以及细胞与细胞间的相互作用)与体内生理条件下细胞的行为存在明显差异。近年研究表明,体外三维(3D)细胞培养既能保留天然细胞微环境的物质结构基础,又能更好模拟细胞体内生长微环境,为细胞水平的研究提供更可靠的方法。目前,大多数三维细胞培养还需要借助支架材料,其中高分子水凝胶是主要的仿生体外三维微环境材料之一。近年来,基于氨基酸和多肽类超分子水凝胶由于其特殊的结构、非共价键物理相互作用、良好的生物相容性、外场响应性特征及可作为仿生体外微环境而引起了广大科研者的关注。

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上海交通大学材料科学与工程学院的冯传良教授和博士生窦晓秋通过对近些年相关文献进行总结分析,详细综述了自组装氨基酸和多肽类超分子水凝胶作为细胞三维培养支架材料的优势,对其制备方法做了一个详细的分类和讲解。尤其是引入外场响应功能团,可合成智能型水凝胶因子,赋予超分子水凝胶外场响应性特征(如温度、pH值、离子强度、光、酶等)。得益于水凝胶因子间较弱的非共价键相互作用,使这种响应具有可逆性特征。此外,超分子水凝胶内部纤维支架的直径几百纳米范围内,比大多数细胞(直径约3 – 30微米)小很多,具有了类似于细胞外基质的三维微环境。超分子凝胶的孔径较高分子凝胶也由毫米量级降低为微纳米级,以防止生物分子如生长因子等的流失。从生物相容性上看,非共价键弱相互作用使得超分子水凝胶的自然降解性更好,也可通过在凝胶因子上嫁接生物活性官能团(如精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)三肽序列)进一步提高凝胶体系生物相容性,避免了复杂的合成步骤。

文章中不仅总结了氨基酸和多肽类超分子凝胶作为体外三维微环境的制备方法和优势,也分析了其目前存在的一些问题,如凝胶均匀性、力学性能和稳定性等、更加精确的可控自组装、大规模生产问题等。总之,超分子凝胶自组装是一门涉及超分子化学、有机化学、材料科学等多学科的综合领域,仍处于起步阶段,如何克服上述问题发展新一代功能型超分子水凝胶作为三维细胞培养支架材料还有很长路要走。相关论文在线发表在 Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201604062)上。