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圖1殼層硬化大孔水凝膠的設計原理示意圖。

  近期，南京大學王煒/曹毅/蔣青/薛斌等人報道了一種具有時空程序化機械性能的大孔水凝膠，能夠用于干細胞驅動的骨再生。作者通過液-液相分離軟模板法在水凝膠內部構建大孔結構，并利用剛性蛋白纖維的界面自組裝強化孔殼。水凝膠的大孔結構為干細胞增殖提供充足空間以避免接觸抑制；剛性蛋白質纖維包覆的大孔結構為干細胞的成骨分化提供持續的機械信號刺激并抵御力學損傷。在時間尺度上，水凝膠呈現可調節的降解速率，并能在一定程度上與新生組織形成速率同步。通過整合局部機械異質性、大孔結構、表面化學和再生可降解性，作者在兔和豬模型中驗證了這些干細胞封裝水凝膠的再生功效。這項工作標志著機械異質水凝膠于干細胞輔助組織再生領域取得了重要進展。該工作以“Hydrogels with programmed spatiotemporal mechanical cues for stem cell-assisted bone regeneration”為題發表在《Nature Communications》上。文章通訊作者為南京大學王煒教授、曹毅教授、蔣青教授和薛斌副教授。該研究得到了國家自然科學基金，國家重點研發計劃和江蘇省自然科學基金等項目的支持。

圖2殼層硬化大孔水凝膠的結構表征。

圖3殼層硬化大孔水凝膠的局部機械異質性和可調降解性表征。

圖4動態形變下殼層硬化大孔水凝膠對細胞的機械損傷保護。

圖5剛性殼層機械刺激驅動的包封細胞成骨分化。

圖6兔模型中包封干細胞的殼層硬化大孔水凝膠的骨再生實驗。

圖7 豬模型中包封干細胞的殼層硬化大孔水凝膠的骨再生實驗。

  關注生物工程領域中骨組織再生這一重要問題，作者開發了具有獨特力學性能和可調降解性的殼層硬化大孔水凝膠。具體而言，作者基于聚乙二醇（PEG）與葡聚糖液-液相分離的軟模板技術，通過調節葡聚糖與PEG濃度控制相分離產生的非連續液滴尺寸；引入預組裝的溶菌酶納米纖維，借助界面自組裝形成穩定蛋白纖維殼層。此外，通過調節體系內含可降解酯鍵交聯劑的比例，實現材料降解速率的控制。實驗結果表明，該水凝膠具備以下特性：（1）微米級大孔結構賦予局部機械異質性；（2）剛性蛋白纖維殼層在循環壓縮載荷下可有效保護細胞并誘導成骨分化；（3）可調降解速率與新骨形成進程保持動態匹配。進一步地，在兔和豬骨缺損模型中的應用驗證了該材料對骨再生顯著促進作用。這種封裝水凝膠突破了傳統水凝膠支架在力學信號持續性與降解同步性方面的技術瓶頸，為干細胞介導的組織再生中臨床應用提供了新方案。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59016-6