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  天然細胞外基質（ECM）通過不斷地提供生物物理和生物化學信號來指導細胞的行為和功能表達。水凝膠由于其優異的物理化學性質，作為一種可模擬天然ECM的新型生物材料已收到廣泛關注，并在組織工程支架和再生醫學領域顯示出巨大的應用前景。其中，時空、劑量可精確操控的光化學反應可實現水凝膠生物物理、化學信號的引入，為模擬天然ECM中復雜的微環境從而實現細胞行為調控提供了強有力的工具。然而，目前大多數水凝膠體系中應用的光化學反應都需要額外加入光引發劑或光解反應過程中伴有機副產物的產生，這些都為構建細胞3D微環境帶來潛在的生物毒性。因此，亟須尋找更加溫和的光化學反應用于水凝膠3D細胞微環境的構建。

  針對上述問題，華東理工大學朱麟勇、包春燕教授團隊報道了利用鄰硝基芐醇（NB）光生醛基-亞胺偶聯（PAIL）系列反應來調控3D水凝膠中生物活性分子的表達。該反應過程中除水分子之外不產生任何有機副產物，為光調控3D水凝膠中的生物化學信號提供了一種新的、溫和的策略。進一步通過結合酶刺激降解調控生物物理信號，最終實現水凝膠中3D細胞行為的精準調控（Figure 1）。

Figure 1. NB photochemistry and enzymatic degradation regulate hydrogel 3D microenvironment to regulate cell behavior.

  研究人員首先通過小分子體系來驗證NB的PAAL系列反應，如Figure 2a-c所示，經過紫外、HPLC、和LC-MS驗證，NB光解后確實生成了醛基并可與氨基發生偶聯反應。引入水凝膠體系后，NB的光化學反應可以實現水凝膠內BSA模型蛋白的空間、劑量可控固定（Figure 2d-g）。通過對接枝有RGD黏附肽的BSA（BSA-c(RGDfC)）進行精確圖案化操控，如Figure 3，HDF細胞可在水凝膠表面呈現出明顯的異質性分布，蛋白梯度光圖案化能相應介導細胞的梯度黏附。

Figure 2. a-c) PAIL series reaction of NB, d) BSA immobilization by NB photochemical reaction in hydrogel, and e-g) Spatiotemporal protein immobilization.

Figure 3. Precisely controlled cell adhesion on hydrogels by gradient patterning of BSA-c(RGDfC).

  結合引入酶可降解的交聯劑，通過3D細胞培養實驗證明，包裹的HDF細胞在圖案化的水凝膠中表現出不同的細胞行為。在BSA-c(RGDfC)光固定區域細胞呈現出紡錘狀形態，然而在沒有光照的區域，細胞仍然保持球形形態（如Figure 4a-b）。此外，與沒有光照的區域相比，蛋白固定的區域顯示出更高的細胞存活率和鋪展面積。進一步將HDF細胞接種的膠原凝膠塊包埋在水凝膠中并沿著凝膠塊軸向光刻出一條蛋白通路后，隨著時間的推移，HDF細胞逐漸向限定的路徑遷移（如Figure 4c-d所示）。

Figure 4. Light-regulated cell spreading and migration in biodegradable hydrogel.

  本工作中，研究人員利用NB的PAIL系列反應實現3D水凝膠中黏附蛋白時空與劑量的可控分布，整個反應過程干凈、高效，沒有任何小分子的釋放，通過光圖案化技術在水凝膠中實現異質微環境構建，最終實現了包括細胞存活、鋪展、遷移的行為調控。

  相關成果以“Precise Construction of Cell-Instructive 3D Microenvironments by Photopatterning a Biodegradable Hydrogel”為題發表在Chemistry of Materials上。文章第一作者為華東理工大學博士生蔡正偉，華東理工大學包春燕教授和朱麟勇教授為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金委的資助。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.9b00706