MIT赵选贺教授《AM》综述：工程化活性水凝胶

水凝胶，一类柔软、湿润且具有生物相容性的材料，现已被广泛用作工程化活细胞的基质。近日，麻省理工学院赵选贺教授课题组以题为“Engineered Living Hydrogels”在《 Advanced Materials》杂志上发表了综述文章，讨论了水凝胶基质和工程化活细胞之间的相互作用，重点讨论了水凝胶如何影响细胞行为以及细胞如何影响水凝胶性质。还讨论了工程化活性水凝胶与其环境之间的相互作用，以及这些相互作用如何实现多功能的应用。最后，作者强调了工程化活水凝胶在临床和环境应用领域面临的挑战。

水凝胶基质为活细胞提供各种化学和物理线索，以调节细胞行为；相反，活细胞具有多种功能，可以改变水凝胶的机械和功能特性。研究人员以工程化的活性水凝胶为平台，研究微生物细胞和水凝胶材料的基础知识及其相互作用。反过来，这些知识可以应用于改善工程化活性水凝胶的性能，并将其应用范围扩展到生物医学、工业和环境保护等方向。众所周知，微生物细胞在我们的身体和地球的发展和维持中起着至关重要的作用，在本综述中，细胞或微生物细胞指微生物，尤其是细菌和真菌。

图1：细胞和水凝胶相互作用

【水凝胶基质的类型】

根据水凝胶基质的结构，工程化的活性水凝胶可分为三种类型：细胞生成水凝胶、合成水凝胶和水凝胶腔室。在细胞生成水凝胶和合成水凝胶中，活的微生物细胞分散在整个水凝胶结构中。为了将活的微生物细胞封装在合成水凝胶中，首先需要将细胞分散在未交联的溶液中，然后在制造过程中对含有细胞的溶液进行交联；或者在制造后将活微生物细胞引入合成水凝胶的孔或通道中。这比细胞生成的生物膜基质具有更可控的化学成分和微观结构。而水凝胶腔室是通过软光刻或3D打印构建的，细胞被包含在内部的中空空间中。

图2：具有代表性的水凝胶基质

【水凝胶对活细胞的影响】

在化学组成上，聚合物网络的一个要求是保持封装微生物细胞的活力，保护它们免受恶劣环境条件的影响。除了影响生存能力外，具有不同化学性质的水凝胶还可以调节细胞的黏附。此外，水凝胶的分子结构和微观结构产生了营养物质、代谢物、氧气和信号刺激物的空间异质性。这些化学物质在水凝胶基质中的异质分布决定了微生物细胞的排布，并调节了嵌入的微生物细胞的生长、运动、信号、代谢和反应。

图3：聚合物网络的化学组成影响细胞动力学

在单细胞水平上，水凝胶结构施加的空间收缩会影响微生物细胞的运动，改变微生物细胞的形态。而在种群水平上，微观结构是限制细胞分裂和种群增长的物理屏障。事实上，水凝胶基质中的各种机械力可以积极调节细胞表型，包括形态、生长、粘附、运动以及生物膜的形成和分布。

图4：水凝胶的机械约束影响细胞动力学

【活细胞对水凝胶的影响】

微生物生产的生物聚合物可为工业和医疗应用创造许多新的结构。通过调整细胞培养参数，可以进一步调节细胞生成水凝胶的机械和物理性质。微生物细胞中的部分代谢物可以修复基质材料中的裂缝，现有的一些水凝胶基质还可以被活细胞强化，从而提高机械强度。相反的是，微生物细胞的数量增长会使水凝胶变形、机械断裂；另一方面，微生物可以触发自然界多种天然聚合物的化学降解。此外，通过应用外部线索或工程基因电路，微生物细胞群和细胞表型可以被用来在材料上产生动态图案，这些图案可以代表复杂的任务，包括计算、图像处理和显示等。

图5：活细胞在水凝胶上生成图案

【工程活性水凝胶的应用】

工程化的活性水凝胶可以与外部环境相互作用，微生物细胞通常会对环境变化发挥积极作用，而水凝胶基质通常充当被动支架，用于维持细胞活力、化学物质扩散和光的传输。在大多数情况下，水凝胶不会显著干扰细胞的活性功能，但在某些情况下，水凝胶参与信号的转导、放大和读出。工程活性水凝胶与环境之间的双向通信促进了它们作为健康或疾病治疗传感器、环境污染治理方案、机械能转换执行器和电能转换电池的应用。

图6：可产生化学能、电能或机械能的工程化活性水凝胶

【总结与展望】

工程、生物学和材料科学的融合为将活细胞整合到软材料中提供了前所未有的机会。这种整合产生了具有自我复制、自我调节和环境响应能力的工程化活性水凝胶。本文综述了水凝胶与微生物细胞之间的相互作用，以及工程生物水凝胶与环境之间的相互作用，对这些基本相互作用的理解为活性水凝胶的合理设计和制造提供了基础，并且可以促进活性水凝胶的技术革新。展望未来，加速工程化活性水凝胶在现实生活中的未来应用将需要工程师、生物学家、临床医生、监管机构等人群之间的合作。一旦相关的伦理、法律和社会影响得到彻底探索，就可以构建所需的工程化活性水凝胶，从健康管理到环境修复再到基础设施建设，满足各种社会需求。

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来源：高分子科学前沿

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