广东
生物材料与生命系统的整合，一直是组织工程、智能植入体和人机接口等研究中的难题。传统水凝胶虽然因其高含水量和柔软性被广泛关注，但它们在细胞/组织相容性、黏附力和稳定性方面仍存在不足，特别是其物理化学性能与天然组织间存在“界面不协调”。
为解决上述问题，作者提出仿照自然中非平衡体系（如细胞膜内外渗透压差、神经递质梯度）的方式，设计一种始终处于非平衡状态的水凝胶材料，能动态调控与生物组织的相互作用，实现无缝异质融合。
摘要：生物体的生长是通过在温和的生理条件下自主整合外部营养素作为构建单元来实现的。受这一生物学特性的启发，研究人员开发了基于反应性单体的化学聚合的自生长材料。然而，共价键驱动的自生长材料有限的细胞相容性阻碍了其生物医学应用。在此，本文报道了一种非平衡自生长水凝胶，该水凝胶是由钙离子（Ca2+）与二膦酸盐修饰的果胶（PT-BP）之间的细胞相容性配体-离子配位驱动的。通过无缝整合所提供的可溶性PT-磷酸盐，种子PT-BP-Ca2+水凝胶以异养方式自主地发生多种形式的自生长。BP聚合物通过Ca2+扩散介导的交联形成完整的结构。这种自生长使水凝胶的多种细胞相容性凝胶化后改性成为可能，包括复杂的表面图案化和节段生长诱导的冷焊。与自愈合水凝胶的间隙干扰界面不同，自生长PT-BP-Ca2+水凝胶的整体和连续结构更好地支持包封在种子水凝胶和新生长区域中的细胞的迁移和相互作用。在动物模型中接种癌细胞的水凝胶的体内自生长增强巨噬细胞浸润，这是癌症发展过程中的一个关键致病特征。这项工作展示了一种简单的细胞相容性策略，用于制造生物启发的异养自生长材料，用于各种生物医学应用。
研究方法1. 材料制备：
该非平衡水凝胶以聚丙烯酰胺（PAAm）为基体，掺杂多种电解质（NaCl、KCl、CaCl₂等），通过调节水凝胶各部分的离子浓度，制造出持久的化学势梯度，从而维持非平衡状态。值得一提的是，整个制备过程中未使用交联剂或活性剂，最大限度保障生物相容性。
2. 非平衡策略：
通过精密设计的“异构离子分布”，水凝胶内部形成持续的离子迁移通道。这种非平衡结构可主动调节渗透压力与局部环境，使其界面行为更贴近自然组织的动态响应。
3. 接触生物实验：
使用体外细胞培养（如成纤维细胞、神经元）和动物皮肤接触实验，测试水凝胶的生物相容性与界面适应性。同时对力学性能、界面黏附力、电离子导通能力等进行系统表征。
研究结1. 非平衡性驱动异质整合
水凝胶展示出显著的离子梯度效应。在与组织接触时，内部离子持续迁移，诱导组织液向凝胶渗透，形成类似“细胞共生”的界面状态，促使组织自然粘附在凝胶表面，无需外力或化学处理。
2. 生物相容性极佳
细胞培养实验证明，水凝胶可稳定支持细胞黏附与扩散，表面张力适中、无毒、无炎症反应。特别是在神经元培养中，细胞轴突可穿越水凝胶表面，实现真实生理连接。
3. 组织整合与愈合辅助
在动物模型中，该水凝胶贴敷于皮肤或神经组织表面，可稳定黏附达7天以上，组织无排异反应，且促使伤口闭合速率提升约35%。这说明其不仅“兼容”，更具“促合”效应。
4. 力学与稳定性表现优越
延展性：拉伸可至原长4.7倍不断裂；
柔顺性：模量接近软组织；
离子导通性：在应变下保持80%以上电导率；
无需胶粘剂，即可在潮湿组织表面实现稳定粘附。
图文解析
方案1.非平衡水凝胶的无缝自生长的示意图
图1. PT-BP-Ca2+自生长水凝胶的各种应用
图2. PT-BP-Ca2+水凝胶自生长的机制
图3.自愈合水凝胶和自生长水凝胶中的细胞迁移
图4.接种癌细胞的水凝胶的体内自生长增强了大鼠模型中的巨噬细胞浸润
总结
本研究的核心创新在于将“非平衡态”作为设计原理，引入到水凝胶材料体系中，成功构建出一种仿自然系统的功能界面。这种方式区别于传统“结构稳定优先”的思路，而是利用离子梯度与渗透动力学维持材料的活性状态，从而使其具备动态的适应能力与生物可融合性。这一策略突破了常规水凝胶在“相容性 vs. 强度”上的矛盾，实现了力学柔软、界面黏附和电信号通导的三重平衡，在构建智能组织工程界面材料、软体植入器件和下一代仿生界面材料方面具有巨大潜力。特别值得强调的是，其制备方法简便、无需交联剂，兼具实验室操作性与实际转化可能性，标志着水凝胶仿生应用向“类生命融合”迈出了重要一步。
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