华理魏杰，上交庞燕/刘尽尧《自然·通讯》：功能仿生水凝胶！

皮肤本质上是一种细胞膜室间隔的水凝胶，具有高机械强度、强大的抗菌能力和健全的免疫能力，为身体提供了多重保护效果。能够同时模拟皮肤结构和功能的水凝胶制备方法备受期待，但已被证明是一项挑战。在这里，华东理工大学魏杰和上海交通大学庞燕、刘尽尧合作通过交联细胞膜室间隔生成了双重结构和功能仿生水凝胶。交联网络是通过自由基聚合形成的，使用带有烯烃双键的细胞外囊泡作为交联剂。由于通过囊泡变形介导的拉伸能量耗散，所获得的室间隔交联网络相比常规二乙烯基单体交联的水凝胶显示出增强的机械强度。仿生水凝胶还表现出特定的抗菌活性，并由于存在大量细胞外囊泡相关的生物活性物质，具有促进树突状细胞成熟和激活的能力。此外，通过在烷基双端聚合物和叠氮修饰的细胞外囊泡之间引入第二个网络，通过无催化剂的点击反应介导的交联，展示了这种方法调整所得水凝胶结构和功能的多功能性。本研究为开发具有双重结构和功能可控的皮肤启发性生物材料提供了一个平台。该研究以题为“Generating dual structurally and functionally skin-mimicking hydrogels by crosslinking cell-membrane compartments”的论文发表在《Nature Communications》上。

图1展示了皮肤的基本结构和功能，以及通过交联细胞膜室间隔制备仿生水凝胶（SFSHs）的示意图。皮肤由表皮、真皮和皮下组织三层构成，这些层由角质细胞、成纤维细胞和脂肪细胞组成，它们嵌入在一个由多层脂质、胶原蛋白、弹性蛋白和/或透明质酸组成的细胞外基质（ECM）中。皮肤可以简化为一种复合水凝胶材料，其中大量细胞通过ECM相互连接。这种由孤立的细胞膜室间隔与其周围ECM的多重相互作用赋予形成的网络良好的机械强度。同时，由于存在能够释放多种生物活性物质的活细胞，这种复合水凝胶材料具有特殊的生物学特性，如抗菌和免疫活性，形成防止外部入侵的保护屏障。研究者们通过自由基水相聚合，使用带有烯烃双键的细胞外囊泡作为交联剂，成功构建了具有仿生细胞膜室间隔结构的水凝胶。这种水凝胶不仅在机械强度上优于常规交联剂交联的水凝胶，还展现出特定的抗菌效果，并能有效促进树突状细胞的成熟和激活。此外，通过引入第二个网络，即通过无催化剂的点击反应在炔基双端聚合物和叠氮修饰的细胞外囊泡之间形成交联，进一步展示了这种方法在调整水凝胶结构和功能方面的多功能性。这些发现为开发具有双重结构和功能可调的皮肤启发性生物材料提供了新途径。

图1.示意图

【细胞-膜-区室化网络的设计与制备】

图2展示了细胞外囊泡（OMVs）的表面修饰过程以及由此制备的SFSHs的表征。首先，通过与DSPE-PEG-AM的疏水/亲水相互作用，将烯烃双键引入OMVs表面，形成OMV-AM。这一过程通过流式细胞术和激光扫描共聚焦显微镜验证，结果显示OMV-AM在荧光强度上有显著提升，且形态保持球形结构。随后，通过自由基水相聚合，使用OMV-AM作为交联剂，成功制备了SFSHs。SEM观察显示，与常规聚丙烯酰胺水凝胶相比，SFSHs在微观结构上呈现出独特的纳米球状分布。此外，通过3D激光扫描共聚焦显微镜成像，证实了SFSHs内部均匀分布着标记有Cy5荧光染料的OMVs，进一步验证了SFSHs成功模拟了皮肤细胞膜室间隔的结构。这些结果表明，通过交联细胞膜室间隔的方法，可以有效地制备出具有皮肤结构和功能的仿生水凝胶材料。

图2. OMV-AM和SFSH的表征

【增强SFSH的机械强度】

图3探讨了制备条件对SFSHs机械性能的影响，并优化了这些条件以增强其机械强度。研究者们首先研究了OMV-AM（烯烃双键修饰的细胞外囊泡）的制备条件，包括反应温度、时间和操作程序，发现在37°C下孵育0.5小时的OMV-AM在拉伸性能上表现最佳。随着OMV-AM浓度的增加，SFSHs的拉伸应力和应变也随之增加，表明交联密度对机械性能有显著影响。此外，通过改变DSPE-PEG-AM的固体含量，研究者们发现在2%的DSPE-PEG-AM含量下，SFSHs展现出最高的拉伸强度。这些结果揭示了通过调整OMV-AM的浓度和DSPE-PEG-AM的固体含量，可以有效地调控SFSHs的机械性能，为制备具有特定机械特性的仿生水凝胶提供了一种有效的方法。

图3. SFSH的优化

图4展示了SFSHs在不同处理条件下的力学性能，包括拉伸和压缩测试。研究者们观察到，与常规聚丙烯酰胺水凝胶相比，SFSHs在拉伸测试中表现出更高的拉伸应力、模量和应变，这表明通过交联细胞膜室间隔（OMV-AM）增强了水凝胶的机械强度。在压缩测试中，SFSHs同样展现出比常规水凝胶更陡峭的压缩应力-应变曲线，表明其压缩性能也得到了提升。这些结果证实了SFSHs在模拟皮肤结构和功能方面的优势，特别是在承受外部力时的机械韧性。此外，通过SEM成像，研究者们观察到在拉伸过程中，SFSHs中的OMVs会发生变形，这有助于能量的耗散，从而增强了水凝胶的力学性能。这些发现为开发具有高级机械和生物特性的仿生材料提供了新的视角。

图4. SFSH的机械强度增强

【SFSH的抗菌能力】

图5展示了SFSHs的抗菌能力和免疫活性。研究者们通过与STm共培养，评估了SFSHs的抗菌效果，发现SFSHs显著抑制了STm的生长，这归因于SFSHs中嵌入的OMVs携带的抗菌微素。此外，SFSHs还显示出促进树突状细胞（DCs）成熟和激活的能力，这通过DCs表面主要组织相容性复合物（MHC II）和共刺激分子（CD80和CD86）的表达水平来衡量。与PBS和常规聚丙烯酰胺水凝胶相比，SFSHs在激活DCs方面表现出更高的效率，这可能归因于SFSHs中OMVs的动态变形，促进了内在抗原、炎症介质和其他生物活性成分的释放。这些结果表明，SFSHs不仅在结构上模仿了皮肤，而且在功能上也展现出皮肤的关键特性，如抗菌性和免疫调节能力，为开发具有这些特性的生物材料提供了新的可能性。

图5. SFSHs的抗菌能力和免疫活性

【SFSH的多功能性，可引入不同的矩阵】

图6展示了SFSHs的多功能性，通过引入不同的网络结构来调整其结构和功能。研究者们首先通过无催化剂的点击反应，利用带有叠氮基团的OMVs（OMV-N3）和带有二苯并环辛炔（DBCO）端基的线性PEG（DBCO-PEG-DBCO）制备了第二个PEG网络，形成了一种交织的双网络结构。这种双网络结构的水凝胶（DN1）在压缩应力和模量上显著增强，并且展现出改善的润滑性能，尤其是在聚四氟乙烯（PTFE）表面上的滑动距离显著增加，显示出良好的抗粘附特性。此外，研究者们还通过使用来自SE细胞的OMVs和来自Nissle 1917细胞的OMVs，制备了另一种双网络结构的水凝胶（DN2），这种水凝胶能够促进SE的生物膜形成，这表明该方法可以调整水凝胶以适应不同的细胞膜室间隔，从而实现对结构和功能的多样化调控。这些发现为开发具有特定功能和结构的仿生皮肤启发性材料提供了新策略。

图6. 示意图

【SFSH的多功能性】

图7详细展示了SFSHs的制备过程、表征以及其多功能性。首先，通过荧光标记和流式细胞术（FCM）验证了OMVs表面成功修饰了DBCO-FITC，并通过激光扫描共聚焦显微镜成像观察到OMV-N3在水凝胶中的均匀分布。接着，通过压缩测试，研究者们发现随着OMV-N3浓度的增加，PEG-OMV水凝胶的压缩应力显著增强，表明OMV-N3作为交联剂的有效性。此外，通过构建由OMV-AM和OMV-N3组成的双网络水凝胶（DN1），研究者们观察到DN1在压缩性能上相比单一网络水凝胶（SN）有显著提升。DN1还展现出优异的润滑性和抗粘附性，这可能归因于PEG网络的亲水性和低表面能。最后，通过评估SE在DN2上的生物膜形成能力，研究者们发现DN2能够促进SE的生物膜形成，这表明SFSHs可以模拟皮肤上的共生细菌环境。这些结果共同证明了SFSHs在结构和功能上的多样性，为开发具有特定应用需求的仿生材料提供了新的可能性。

图7. SFSH的多功能性

【小结】

该研究成功开发了一种通过交联细胞膜室间隔来制备具有双重结构和功能仿生水凝胶（SFSHs）的方法。这些水凝胶不仅在结构上模仿了皮肤的细胞膜室间隔，而且在功能上也展现出了皮肤的关键特性，包括抗菌能力和免疫调节能力。通过引入不同的网络结构，如通过点击反应引入的第二个PEG网络，SFSHs的结构和功能得到了进一步的调整和优化。这些发现为开发具有高级机械和生物特性的仿生皮肤启发性材料提供了新策略，并为未来在组织工程、可穿戴设备、智能医疗诊断等领域的应用奠定了基础。

原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-45006-7

来源：BioMed科技