摘要：可控 液 -液相分离及其随后的定向相变特性对于细胞外基质 (ECM) 的凝聚 介 导组装至关重要。这种时空可控的 ECM 组装可用于开发基于凝聚层的聚合物组装策略，以生成能够模拟 ECM 复杂结构和生物物理特征的仿生材料。

异质水凝胶

可控 液 -液相分离及其随后的定向相变特性对于细胞外基质 (ECM) 的凝聚 介 导组装至关重要。这种时空可控的 ECM 组装可用于开发基于凝聚层的聚合物组装策略，以生成能够模拟 ECM 复杂结构和生物物理特征的仿生材料。

受原弹性蛋白结构的启发， 华南理工大学边黎明教授、 赵鹏超教授以及香港中文大学王一教授 开发了 一个由交替排列的疏水基团和共价交联结构 域组成 的设计 极 简模型 。通过提高疏水基团的价态并增强其相互作用强度， 他 们 可以控制组装程度以增强相分离特性，从而模拟原弹性蛋白的细胞外凝聚过程，包括液滴形成、聚结和成熟 。随后， 共价键引发的凝聚层-水凝胶转变增强了组装有序性，使异质 水凝胶形式的相分离结构得以稳定，从而模拟共价交联引发的弹性蛋白纤维化 。此外，异质水凝胶网络构建了一种仿生基质，能够有效促进粘附干细胞的机械传感。 相关研究成果以题为“ A designer minimalistic model parallels the phase-separation-mediated assembly and biophysical cues of extracellular matrix ”发表在最新一期《nature chemistry》上。

【一种具有可调组装顺序的极简模型模拟ECM的时空组装及其对细胞调控的生物物理线索】

作者设计了 一种以明胶为骨架的高分子（ macromer），在主链上周期性引入两类正交功能“域” ：（ i ）驱动液–液相分离 (LLPS) 的疏水芳香“贴纸 (sticker)”；（ii）可按需进行共价光交联的甲基丙烯酰 (MA) 基团。灵感源自原弹性蛋白 ( tropoelastin ) 的装配顺序，该结构使体系能够依次经历液滴成核、融合、生长和最终固化， 仿生地 重现细胞外基质 (ECM) 中弹性蛋白的生成过程。通过调节贴纸 的价数 (valence) 或相互作用强度 (hydrophobicity)，可精确控制在“锁定 ”结构之前的有序化程度；随后利用光交联固定微观异质、宏观稳固的基质，为干细胞提供可调的机械与拓扑信号。 图1 (a) 将原弹性蛋白相分离放在更广泛的生物凝聚体场景中； 图1 (b) 给出交替排布的“贴纸–交联剂”分子设计； 图1 (c) 通过贴纸价数与强度构建相图，显示体系从孤立液滴到纤维状水凝胶的有序度提升，以及随之而来的硬/软并存微环境对机械感知的潜在影响。

图 1. 具有可调组装顺序的简约模型模拟了 ECM 的时空组装和相关生物物理线索，以进行细胞调节

【疏水芳香贴纸之间的相互作用诱导形成稳定的共聚凝胶 (coacervate) 】

作者 将 萘 基 (Nap) 接枝到明胶得到 Coa-Nap，其溶液在 37 ℃、60 min 内自发分相产生致密液相，且在 7 d 内依旧保持液态（G′

图 2. 接枝芳香族部分之间的疏水相互作用诱导稳定凝聚层的形成

【 提高贴纸价数促进共聚凝胶的形成与稳定性 】

作者进一步了 比较三种变体： Coa-Nap-L（≈1 Nap/Lys）、Coa-Nap（≈3 Nap/Lys）和 Coa-Nap-P（3 Nap/Lys + 游离 Nap）。随着价数升高，10 µm 离散液滴演变为带空泡的块体共聚物；空泡中位面积从约 800 µm² 缩小至 200 µm²。荧光恢复 (FRAP) 表明分子可动性显著下降：30 s 时 Coa-Nap-L 恢复 45.7%，Coa-Nap-P 仅 5.2%。含水量亦同步下降。10 wt % 1,6-己二醇可溶解 Coa-Nap-L，却几乎不影响 Coa-Nap-P 的弹性 (G′/G′′≈15–20 Pa)。粗粒度分子动力学模拟显示最大贴纸簇从 ~11（Coa-Nap-L）增至 ~60（Coa-Nap-P），凝聚并紧缩明胶链长。

图 3. 接枝疏水部分的价态增加促进了明胶基凝聚层的形成和稳定性

【增强贴纸相互作用强度提升 LLPS倾向 】

在价数恒定 条件下，将 萘 基替换为疏水性较弱的苯基 ( Phe ) 或羧苯基 (Car)。三体系均能相分离，但 Coa-Car 含水量最高 (~80 wt %)，在 20 wt % 1,6-己二醇中便被破坏；Coa-Nap 在 30 wt % 抑制剂下仍保持块体结构。复数粘度从 Coa-Car 的 ~25 Pa·s 提升至 Coa-Nap 的 ~100 Pa·s ，且多项统计差异高度显著 (***P

图 4. 嫁接到明胶上的疏水部分的相互作用强度的增加促进了 LLPS 的倾向

【 后 LLPS共价交联实现按需共聚凝胶–水凝胶相变并稳定结构 】

在贴纸骨架中加入 MA 基团，配合 0.05 wt % I2959 紫外照射数秒即可将致密液相“锁定”，G′ 在 300 s 内从液态提升至 ≈1.1 kPa。原子力显微镜显示固化后模量呈双峰分布： 软区 ~10 kPa， 硬区 >100 kPa，并在 3-D 地图中直观呈现。扫描电镜保留了微米级孔道与空泡。 综合贴纸价数、强度与 MA 密度，可将储能模量调控跨越 两 个 数量级 。

图 5. LLPS 后共价交联实现按需凝聚层-水凝胶转变，从而稳定相分离结构

【共聚相分离驱动的仿生基质调控干细胞行为】

作者将人源间充质干细胞 ( hMSC ) 培养 10 h 于三种基底：( i ) 液态 Coa-Nap；(ii) 异质 Gel-Nap 水凝胶；(iii) 同等宏观模量的均质 GelMA 。Gel-Nap 上细胞呈星状摊展（平均面积 ~4 700 µm²，圆度

图 6. 通过凝聚介导制造仿生基质来调节干细胞行为

【总结】

通过在明胶主链上可 程控地 引入疏水贴纸与潜在交联基团，作者构建了一个 极简却强大 的模型 ，重现弹性蛋白生成的关键步骤： （1） 疏水驱动的LLPS ——在生理条件下稳定； （2） 可调的有序化过程 ——由贴纸价数与强度控制； （3） 可诱导的液– 固转变 ——在特定时刻冻结中观结构。所得基质在硬MA富集岛与软明胶区之间形成空间梯度，为细胞提供丰富机械提示； hMSC 因此呈现加速铺展与增强的机械传感信号。 该策略不仅深化了对ECM组装机理的认识，也为3-D细胞培养、可注射治疗与自适应生物材料的开发提供了一种可调平台。

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来源：林少涵说科学