近期，荷蘭奈梅亨大學Paul Kouwer教授聯合深圳先進院劉開政博士、阮長順研究員以及河北工業大學袁宏博副教授，通過對比研究天然細胞外基質和一種人工纖維水凝膠：螺旋聚異腈多肽水凝膠（PIC），在期刊Bioactive Materials上發表綜述文章：Cell-matrix reciprocity in 3D culture models with nonlinear elasticity，介紹了非線性力學性質在細胞-基質交互作用中的功能。
細胞-基質雙向交互作用的示意圖，包括：纖維網絡密實化、基質重塑、基質硬度增加、長距離力學傳輸、新生蛋白沉積等
細胞在體內處于高度動態且具有復雜成分的三維微環境，即天然細胞外基質（ECM）。ECM為人體組織提供力學支撐以及維持組織穩態、修復和再生所必需的生物化學和生物力學信號。近年來的研究表明，細胞和基質之間持續進行著復雜的雙向力學交互作用：即細胞不僅能感受周圍的力學環境，還能夠主動地改造和重塑基質的網絡結構和力學性質，進而反饋于細胞功能調控。這種交互作用在維持組織穩態中起到至關重要的核心作用。因此，在體外三維基質模型設計中應該充分考慮體內天然基質的生物力學性質。
天然ECM同時具有多種復雜的力學性質，包括非線性力學性質/應力剛化力學性質（nonlinear mechanics/strain-stiffening）、粘彈性/應力松弛（viscoelasticity/stress relaxation）以及力學可塑性（plasticity）等等。本文著重探討了其中一種特性——應力剛化力學性質，其特點是指人體組織受到一定外力后力學強度增加的現象。本文概述了該種性質的定義、起源以及在細胞-基質交互作用中所起到的調控及媒介作用。接下來，文章討論了兩種常用的天然細胞外基質：膠原蛋白和纖維蛋白水凝膠，以及一種人工纖維水凝膠：PIC水凝膠。PIC擁有類似于生物凝膠的典型非線性力學性質和纖維狀網絡結構，并具有力學性質可調性。通過對比天然細胞外基質和人工PIC水凝膠，綜述詳盡講解了上述材料的結構、用途、優勢和缺陷，為3D細胞培養相關的生物物理基礎研究和組織工程應用提供新思路。
3D細胞-基質交互作用研究模型的構建以及天然ECM的復雜力學性質。
PIC水凝膠的化學合成示意圖、可逆溫敏性質、層級纖維結構與非線性力學性質。
原文信息：Liu, K., Wiendels, M., Yuan, H., Ruan, C., & Kouwer, P. H. (2021). Cell-matrix reciprocity in 3D culture models with nonlinear elasticity. Bioactive Materials.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X21003698
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.08.002
論文作者簡介
第一作者：劉開政助理研究員，荷蘭奈梅亨大學/中國科學院深圳先進技術研究院
深圳市海外高層次人才C類，曾入選歐盟地平線2020“瑪麗居里”ITN博士項目（2015年），獲得歐洲分子生物學會（EMBO）短期基金（2018年）。2014年本科畢業于南開大學，2015年碩士畢業于英國倫敦大學學院，2020年博士畢業于荷蘭奈梅亨大學。專注于三維微環境中的細胞-細胞外基質力學交互作用。
聯系方式：kz.liu@siat.ac.cn
袁宏博副教授，河北工業大學
碩士生導師，河北省高層次留學引進人才，河北工業大學”元光學者”，2019年入選歐盟第七研究框架“瑪麗?居里學者”人才計劃，2020年獲得歐洲分子生物學組織（EMBO）短期訪問學者計劃，河北工業大學與荷蘭奈梅亨大學聯合培養雙博士。目前主持國家基金1項，河北省基金2項，并參與多項國家基金。主要研究領域為結合材料科學與生物物理交叉研究的優勢，設計、構建非線性仿生水凝膠及刺激響應智能聚合物復合材料，研究細胞與基質的相互作用以及對細胞的功能調控。
聯系方式：hongbo_yuan@hebut.edu.cn
阮長順研究員，中國科學院深圳先進技術研究院
博士生導師，國家優秀青年科學基金獲得者，廣東特支計劃青年拔尖人才，中國科學院青年促進會會員，深圳市海外高層次人才。重慶大學生物醫學工程博士，意大利羅馬第二大學博士后，香港大學訪問學者。長期致力于精準組織工程領域的新材料、新技術及新策略交叉科學研究，旨在通過系統性建立生物3D打印材料體系的可打印性、力學行為及生物活性等關鍵因素間相互影響規律，突破當前生物3D打印技術的宏微觀尺度精確性，提高所構筑組織工程體生物功能，實現復雜組織/器官快速精準組裝與功能重建;先后承擔多項國家及省市級項目基金，包括國自然基金、國家重點研發計劃等，累計科研經費逾千萬元；以一作或者通訊作者發表學術論文30余篇，包括領域權威期刊：Advanced Functional Materials、Advanced Science、Bioactive Materials、Biomaterials及Biofabrication等；擔任中國康復醫學學會修復重建外科專業委員會常務委員、中國醫藥生物技術協會3D打印分會委員會委員、中國醫療保健國際交流促進會骨科分會委員、中國醫學裝備協會醫用增材制造專業委員會委員及國際華人骨研學會（ICMRS）終身會員；擔任Bio-Design and Manufacturing 副主編、Chinese Chemical Letters 青年編委。
聯系方式：cs.ruan@siat.ac.cn
通訊作者：Paul Kouwer教授，荷蘭奈梅亨大學
博士生導師，螺旋聚異腈水凝膠（PIC）發明人，2013年于Nature雜志發表文章Responsive biomimetic networks from polyisocyanopeptide hydrogels，首次報道了一種人工合成的非線性水凝膠材料。隨后基于PIC在Nature Communications (4篇)、Advanced Science以及Advanced Functional Materials等雜志發表多篇文章。專注于細胞外基質的力學仿生人工材料及其生物醫學應用。
聯系方式：p.kouwer@science.ru.nl
