IF：83.3！华南理工大学，最新Nature系列综述！

液态生命：工程化凝聚体作为新兴生物材料重塑医学未来

生命体内部存在着一种精妙而动态的组织方式——通过液-液相分离（LLPS），细胞能够形成无膜细胞器，如核仁、应激颗粒等，在无需脂质膜包裹的情况下实现生化反应的空间区室化。这种由弱非共价相互作用驱动的自发去混现象，从根本上改变了我们对细胞内结构和动力学的理解。受此启发，科学家们开发了工程化凝聚体（coacervates）作为天然凝聚物的结构与功能模拟物。然而，尽管凝聚体在理解细胞内相分离机制方面已有广泛研究，其作为生物材料的应用潜力却相对被忽视。传统固态生物材料（如水凝胶）在动态适应性、界面润湿性和复杂解剖部位的可达性等方面存在固有局限，而凝聚体的液态特性恰恰为这些挑战提供了全新的解决思路。

华南理工大学边黎明教授、赵鹏超教授和中科院化学所乔燕研究员合作，系统性地阐述了工程化凝聚体作为新兴液态生物材料的核心优势：动态流动性、分子富集能力、在适度稀释下维持液态稳定性的能力，以及到达难以触及部位的潜力。文章详细梳理了利用超分子工具箱构建满足严格生物材料要求的凝聚体制备策略，并展望了其在药物递送、组织工程、生物粘附和抗菌等领域的广阔应用前景。尽管充满希望，但如何在复杂生物环境中确保凝聚体的结构完整性和功能性，以及明确其优势最能彰显的医学场景，仍是亟待解决的关键挑战。相关论文以“Engineered coacervates as emerging liquid biomaterials”为题，发表在Nature Reviews Materials上，论文第一作者为易波和赵剑阳。

图1 | 工程化凝聚体作为新兴液态生物材料。a，基于不同液-液相分离（LLPS）机制，工程化凝聚体可分为复合凝聚体和简单凝聚体。b，工程化凝聚体作为液态生物材料的代表性优势，包括生物表面润湿、抗体液稀释、渗透至难以到达的部位、多相区室化、选择性治疗剂富集、多刺激响应释放、可控相行为及细胞摄取能力。其中“渗透至难以到达的部位”指凝聚体能够流动、形变并润湿复杂或受限的生物界面，如肠皱褶和缺损组织区域。

液态之魂：流动性赋予的独特优势

工程化凝聚体最引人注目的特征在于其本征的液态行为。这些高度水合（含水量最高可达90%）却不溶于水的液相，在流变学上表现为粘弹性液体——能够流动、融合和铺展（图2a），粘度可在约0.1至1000 Pa·s范围内调节，并可通过盐浓度、pH和温度等环境刺激轻松调控。这种液态特性赋予凝聚体无与伦比的界面行为：它们具有低至0.01-0.5 mN/m的超低界面张力，比油-水体系低数个数量级，使其能够轻易变形、铺展并润湿各种生物界面，包括复杂组织和难以触及的解剖部位。这种卓越的润湿能力，正是传统固态材料在淹没组织和不规则创面等潮湿环境下常常失效的根本原因。

除了宏观流动性，凝聚体还展现出丰富的多相可编程性。当不相溶的凝聚体相共存时，界面张力间的博弈可驱动其形成核-壳、部分润湿或非润湿等多种构型（图2b），这些行为可通过分子参数（极性、电荷密度和非共价相互作用强度）进行精确调控。凝聚体内部还可包含瞬态空泡等动态亚结构（图2c），通过交联或膜样组装得以稳定，为其内部结构增添了非平衡维度。这种层级结构使得空间分辨的分子分配和反应环境成为可能，为区室化生化过程和序贯货物释放等高级功能奠定了基础。

分子富集：智能筛选与精准装载

凝聚体另一核心功能是其选择性富集和浓缩多种客体分子的能力（图2d）。这种分子富集由静电、疏水、氢键和π-π相互作用的平衡所驱动，分配系数（K）取决于凝聚体的化学和结构复杂性。具体而言，由聚阳离子和聚阴离子组装的凝聚体主要通过静电相互作用实现高效装载（图2e），可包裹带电小分子、蛋白质和核酸；而单组分或中性体系则主要依赖疏水和π-π相互作用富集两亲性和芳香族分子。序列编码的DNA凝聚体更展现出精确的分子识别能力（图2f），通过可编程的碱基配对或生物素-链霉亲和素相互作用实现目标分子的高保真摄取。

在结构化凝聚体中（图2g），分子分配进一步扩展到多相、空泡化和膜化体系——多相系统可根据分子特性实现选择性分配和空间分离；空泡化凝聚体通过内部空隙实现大分子的区室化装载和触发释放；膜化凝聚体则引入半透膜屏障，实现基于分子尺寸的选择性通透（例如双酪氨酸交联肽膜允许约2.5 kDa以下分子通过而排除更大分子）。当这些膜带有净电荷时，还能进一步实现电荷选择性传输。这些结构化设计将分子富集从单纯的浓度效应提升为具有时空精度的功能性编程。

图2 | 工程化凝聚体的流动性和分子富集行为。a，凝聚体展现出类液性质和可调的界面润湿性。b，凝聚体的可编程多相组织，其中液滴间的润湿由凝聚体（1和2）与周围稀释相之间的界面张力（γ）所支配。c，空泡化凝聚体的结构。d，客体分子在凝聚体中的一般性分配。分配程度由分配系数K决定，代表溶质在凝聚体相（c凝聚体）和稀释相（c稀释）中的浓度比。e，由客体分子与凝聚体基质间相互作用驱动的选择性分配。f，序列依赖性分子识别实现凝聚体的特异性分配。g，结构化凝聚体（包括多相、空泡化和膜化体系）中的分配行为。多相凝聚体将客体分子选择性分配至不同凝聚体相中。空泡化凝聚体将大分子货物保留在内部空泡内。膜化凝聚体实现尺寸选择性分配。

智能响应：感知环境、按需行动

凝聚体的动态控制是其实用性的关键所在（图3a）。pH响应性凝聚体（图3b）通过可逆质子化-去质子化调节电荷平衡，如聚-L-赖氨酸/ATP凝聚体在低pH下组装、高pH下解组装。温度响应则遵循LCST（下临界溶解温度）或UCST（上临界溶解温度）行为（图3c、d）——前者由升温诱导脱水增强疏水相互作用驱动，后者由低温下有利的焓驱动分子间相互作用主导。光响应系统（图3e）通过偶氮苯衍生物的可逆顺反异构化调节分子间相互作用，实现紫外线诱导解组装和蓝光或黑暗下重新组装。酶响应体系（图3f）则通过磷酸化-去磷酸化循环调控RNA/肽凝聚体——激酶介导的磷酸化降低肽电荷使凝聚体溶解，磷酸酶催化去磷酸化则恢复凝聚。此外，化学活性凝聚体利用氧化还原、水解、复分解等反应实现可逆或耗散性控制。这些策略共同赋予凝聚体以生命般的适应性和智能性。

图3 | 工程化凝聚体的刺激响应行为。a，工程化凝聚体可对外部刺激（如pH、温度、光和酶）发生可逆相变。b，聚电解质的pH响应性凝聚，由胺基的可逆质子化和去质子化驱动。c，热响应LCST型均聚物凝聚，加热驱动可逆水合-脱水转变。d，含非共价键合基序的均聚物UCST型凝聚，这些基序随温度变化发生缔合和解离。e，由阳离子反式偶氮苯衍生物与聚阴离子复合形成的光响应凝聚体，在紫外（UV）照射下因反式-顺式异构化而解组装，在蓝光或黑暗中重新组装。f，由阳离子肽和聚阴离子组成的酶响应凝聚体，通过磷酸化触发解组装（激酶介导）和去磷酸化诱导重新组装（磷酸酶介导）。

生理稳定性工程：从脆弱液滴到坚韧材料

凝聚体的动态液态本性既是优势也是脆弱之源。在复杂生理环境中，这些主要由弱非共价相互作用维持的结构面临着严峻挑战（图4a、表1）。静电驱动体系在生理盐浓度（约150 mM NaCl）、极端pH条件或体液中生物大分子的干扰下极易解体（图4b）；氢键体系则面临水和生物大分子作为竞争性氢键供体和受体的削弱。为解决这些问题，研究者发展出多重策略（图4c-e）。

一种策略是通过引入额外的非静电相互作用（如氢键、π-π堆积和阳离子-π相互作用）来增强静电驱动凝聚体的耐受性。例如，源自贝足蛋白Mfp-5的GG23和GK16肽可共组装成稳健凝聚体（图4c），在pH 1-11和高达500 mM NaCl条件下保持稳定。第二种策略是通过调控疏水芳香基团的价态实现程序化组装和稳定（图4d）——增加萘基（Nap）修饰价态可使分散液滴逐步转变为体相凝聚体，尽管过度脱水可能引发沉淀。第三种策略是结合正交的非静电相互作用（如丁基封端聚丙二醇PPG-But通过协同氢键和疏水相互作用，图4e），在pH 1-13和1 M NaCl条件下仍保持稳定，同时兼具低表面张力（约34 mN/m）和良好的生物组织润湿与渗透能力。这些研究表明，构建多模式、协同性的超分子网络是提升凝聚体生理稳定性的关键路径。

图4 | 构建生理稳定液态生物材料的超分子架构工程。a，用于构建工程化凝聚体的主要非共价驱动力概览，以及破坏其内聚网络并诱导体内宏观解离的关键生理应激源——如极端pH、高离子强度、酶降解和内源性生物大分子竞争。b，相图示意静电驱动凝聚体的固有脆弱性，其在狭窄pH窗口外或暴露于生理盐浓度时迅速解组装。c，引入多价相互作用（结合静电吸引、氢键、π-π堆积和阳离子-π相互作用）可产生稳健复合凝聚体，耐受极端pH波动和高离子强度。d，通过合理、价态受控地引入疏水相互作用可稳定凝聚体。增加疏水价态决定从脆弱液滴到高度耐久的空泡化凝聚体的可编程相变。e，通过协同氢键和疏水相互作用稳定凝聚体。

药物递送：跨越屏障的液态载体

凝聚体在药物递送领域的应用展现出多方面优势（图5a-h）。其高装载效率（通常超过80%，富集倍数可达100-1000倍）与保护能力，源于多重非共价相互作用的协同效应。凝聚体还可作为人工细胞样反应器，实现无细胞mRNA翻译（图5b）和酶级联反应（图5c），原位产生活性或产气治疗剂——如一氧化氮生成系统可将血管直径扩大1.2倍，引发局部组织松弛。通过细胞表面工程（图5d），三肽凝聚体（Fmoc-Lys-Gly-Dopa-OH）可在免疫细胞膜上形成动态仿生冠，高效装载单克隆抗体（如曲妥珠单抗），引导自然杀伤细胞识别并杀伤HER2阳性癌细胞。

在细胞内递送方面（图5e-f），凝聚体的粘弹性和形变性使其可通过巨胞饮样吞噬、脂筏介导内吞、网格蛋白和小窝蛋白介导内吞等多种途径入胞，且这些途径常并行运作。富含组氨酸的肽基凝聚体还能避免溶酶体捕获，直接将货物递送至胞质。刺激响应设计（pH敏感、氧化还原敏感、酶敏感）进一步实现了胞内位点特异性释放。凝聚体还可用作胞内药物储库（图5g），将多柔比星等化疗药物的胞内保留时间延长至30小时以上，显著增强肿瘤选择性积累，延长生存期约10天。

在系统性递送中（图5h），凝聚体可通过扩散控制或刺激响应机制实现持续数天至数周的稳定释放。在胃肠道环境中，凝聚体可将粘膜停留时间延长至48小时以上（相比游离药物溶液的<5小时标准转运时间），实现糖尿病、炎症性肠病和胃溃疡的位点特异性治疗。β-折叠富集的高度有序纤维结构可进一步提升机械稳定性（界面膜杨氏模量达6.1 MPa），在体内模型中成功保护胃黏膜免受吲哚美辛诱导的溃疡。

图5 | 工程化凝聚体作为变革性药物递送平台。a，通过干燥诱导液-液相分离（LLPS）实现蛋白质包封和保护，证明凝聚可在脱水过程中保持蛋白质结构完整性免受环境胁迫。b，内层凝聚相中的无细胞转录及随后在外层LLPS液滴中的mRNA翻译，凸显多相凝聚体空间分离和微区室化序贯酶级联的能力。c，气体治疗的多酶区室化。上：葡萄糖氧化酶（GOx）/血红蛋白（Hb）级联在凝聚体内产生一氧化氮（NO），富集酶底物（葡萄糖和羟基脲）以加速治疗性气体生成。下：三个分别功能化GOx、辣根过氧化物酶（HRP）和过氧化氢酶（CAT）的独立凝聚体中NO的酶级联局部生产，展示相邻凝聚体间底物-产物的级联转运。d，利用凝聚体进行细胞表面工程增强免疫细胞对癌细胞的识别和裂解，展示界面凝聚体补丁如何修饰活细胞膜以改善靶细胞结合。荧光图像（插图）显示标记凝聚体（白色箭头所示）沿外细胞表面锚定。e，凝聚体的潜在细胞摄取过程，概述液态液滴穿越细胞膜的内吞转运和结构演化路径。共聚焦图像展示从早期膜结合到最终胞质定位的逐步摄取阶段。f，凝聚体介导的胞内药物递送，证明凝聚体液滴的可编程刺激响应性促进胞质货物释放。g，凝聚体作为胞内药物储库增强化疗药物（如多柔比星）在肿瘤中的保留，证明内聚液态基质最小化爆发性渗漏并延长药物在肿瘤微环境中的半衰期。比较荧光图像显示药物负载凝聚体给药后切除肿瘤切片中药物积累较游离药物对照显著增加。h，左：胃肠道药物递送中，凝聚体提供粘膜粘附、抗稀释、延长滞留和持续/刺激响应释放等优势示意。右：灌胃后Sprague-Dawley大鼠胃肠道滞留荧光图像，证明生物粘附凝聚体在胃和肠粘膜上牢固粘附至少24小时，而非粘附对照凝聚体24小时后从消化道快速清除。GDL，D-葡萄糖醛酸内酯；Hu，羟基脲。

组织工程与再生：液态微环境的独特价值

凝聚体在细胞培养和组织工程中展现出独特的仿生潜力（图6a-d）。其液态粘弹性和超快分子重排能力使其能够持续重塑细胞微环境，支持自适应的细胞-基质相互作用——这与永久交联水凝胶所强加的静态力学约束形成鲜明对比（图6a）。明胶基凝聚体基质可支持胚胎干细胞的大规模体积扩张并维持干性。可编程的液-固转变（图6b）进一步引入了随时间演化的力学线索——受原弹性蛋白启发的凝聚体通过可控液-凝胶转变生成异质、类ECM结构，促进细胞铺展；主-客体组装体系则结合初始剪切稀化与后续大孔网络形成，支持多细胞组织化。

凝聚体还可作为3D生物打印墨水（图6c），利用剪切稀化、自愈合和脱水诱导固化等特性制造高保真载细胞支架。例如，水性-水性嵌入式墨水系统利用剪切稀化聚赖氨酸和氧化细菌纤维素基质相，通过快速界面凝聚即时构建含复杂三维分叉结构的稳健空心微通道，无需牺牲模板即可促进原位内皮细胞单层生长。在组织再生方面（图6d），凝聚体平台已被探索用于软骨、骨、皮肤和肌肉等多样组织的修复，其核心优势在于整合生化信号与动态演化的微环境，实现持续且上下文依赖的治疗效果。

生物粘附与抗菌应用：自然启示的工程转化

凝聚体的界面特性使其成为理想的生物粘附材料（图6e）。受海洋和陆生生物自然相分离机制启发——如贻贝中富含Dopa的足蛋白通过LLPS形成凝聚体实现高效水下粘附——合成类似物和重组变体可利用Dopa功能化或儿茶酚功能化的肽、聚电解质和表面活性剂，在广泛pH和离子条件下实现可调且稳健的粘附。与依赖预成型网络或不可逆共价固定的固态粘附剂不同，凝聚体基粘附剂在固化前保持流动态，可保形铺展、渗透和适应潮湿、不规则且可形变的组织表面。固化机制包括热响应（LCST以上液-固转变）、离子/pH响应、光固化（365 nm紫外光下30秒内交联）以及自发凝聚-水凝胶转化，其关键在于固化前保持充分流动性以实现保形接触，同时在外界触发下快速固化以保证固定。

在抗菌应用中（图6f），凝聚体的界面活性、分子扩散和控释能力协同作用——界面活性促进对细菌膜的润湿和粘附；快速分子扩散允许液态液滴物理渗透进已形成生物膜的致密多孔基质；定殖后的控释则维持均匀治疗剂量。阳离子或聚酚组分可直接破坏细菌膜；疏水和π-相互作用增强抗菌剂包封（效率高达95%）。凝聚体可包封疏水杀菌剂（如三氯生和粘菌素），实现24小时至长达一个月的缓释。低界面张力和流动性促进生物膜渗透和机械破坏——凝聚体可清除高达99.9%的铜绿假单胞菌等高弹性多糖丰富基质，但对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌等较硬、蛋白丰富基质效果稍逊。这种选择性的背后，是渗透、滞留和释放之间通过分子设计实现的精妙权衡。

图6 | 工程化凝聚体在组织工程、生物粘附和抗菌应用中的应用。a，利用凝聚体进行3D细胞培养，展示液态基质如何实现动态细胞-基质相互作用和细胞重组织。b，通过液-固相变工程化凝聚体从液态微环境转变为具有不同力学性质的类固态支架。c，利用凝聚体进行3D生物打印创建载细胞支架和血管网络。左：剪切稀化凝聚体墨水用于挤出式生物打印示意。右上：水性-水性嵌入式生物打印策略利用界面凝聚即时构建含互连管状通道的3D网络。右下：共聚焦图像显示打印的微通道网络中活/死染色的内皮细胞单层（活细胞：绿色；死细胞：红色）。d，凝聚体在组织再生中的应用。左：兔模型中股骨隧道缺损修复示意图。micro-CT 3D重建图像显示修复组相对未处理对照中空洞开放缺损的骨填充情况。右：负载活性成分的凝聚体应用于受损皮肤加速修复的皮肤创面愈合模型示意图。第14天组织学横截面比较苏木精-伊红（H&E）和Masson三色染色，显示凝聚体组完全再上皮化、更厚真皮恢复和结构化胶原沉积，对照则未愈合。e，贻贝启发粘附机制概览，贻贝足分泌液态蛋白，经历原位LLPS并在水下表面通过pH升高驱动交联和凝胶化而固化。右：该过程的合成转化示意图——流体凝聚体粘附剂在固化前铺展、润湿并渗透生物界面，随后建立稳健生物粘附。f，比较机制图：常规水流允许强健生物膜附着，传统聚合物溶液导致无效生物膜清除，而凝聚体致密相高效置换生物膜基质。共聚焦3D图像显示凝聚体从亲水基底上完全清除染色的铜绿假单胞菌生物膜（绿色）。

展望与挑战

尽管进展迅速，工程化凝聚体仍处于早期发展阶段。核心挑战在于建立分子组成与相互作用基序到相行为、材料性质和生物功能之间的定量关系。在药物递送中，维持全身给药时的凝聚体完整性、实现精准体内靶向以及阐明理化性质如何决定代谢命运和系统清除，仍是关键瓶颈；自发液滴融合是否保留生物功能也待解答。在组织工程中，凝聚体高度流动的液态微环境如何介导不同细胞谱系的生物活性，以及如何调控凝聚体对内源性细胞因子和宿主蛋白的自主摄取与局部富集——这种富集对组织修复是协同还是拮抗——仍属未知。在生物粘附中，将初始液态润湿行为转化为动态、富流体环境中的稳健长期粘附，需依赖于时空可控的多刺激响应相变设计。最终，掌握凝聚体固有的动态流动性这一“最大的挑战、最大的机遇或许也是最大的谜团”——不仅需要从经验配方走向预测性机制驱动设计，还需整合机器学习辅助设计平台、模块化系统以及更明确的体外-体内性能关联，方能真正释放这些液态生物材料在生物医学领域的全部潜力。