天然细胞外基质 (ECM) 是一种三维 (3D) 且高度水合的生物大分子网络，具有非均质分布的刚性基质和细胞适应性的软基质（图1）。可控液-液相分离 (LLPS) 在形成ECM非均质力学结构中发挥着重要作用，其通过浓缩和分隔刚性ECM组分，从而将它们与软基质分离，随后共价化学交联产生细胞尺度非均质力学结构。这些非均质力学结构为调节细胞力学感知提供了重要的生物力学信号，进而影响不同的细胞活动，包括增殖、迁移和分化。因此，制备指导各种细胞活动的仿生ECM水凝胶至关重要。然而，传统水凝胶的静态网络和均匀的基质分布通常会限制细胞-基质相互作用和相关的3D细胞活动，因此无法模拟细胞天然驻留的ECM非均质力学微环境（图1）。

图1

  受天然ECM形成过程的启发，华南理工大学生物医学科学与工程学院边黎明教授团队研究开发了一种仅由共价键交联的非均质 (Hetero) 水凝胶，它通过LLPS介导的共价交联区室化分布实现了细胞（微米）级的网络结构非均质性和细胞适应性 (图1)。具体而言，通过定制的可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合和后续修饰合成了一种温度响应可光聚合的三嵌段大分子单体 （TRM）。将温度从 20 °C 提高到 37 °C 可诱导 TRM 的 LLPS形成微米级TRM凝聚液滴；随后，引入可光聚合 GelMA 稀相溶液，混合形成具有LLPS性质的非均质水凝胶前体溶液（图2）。在该前体溶液中，TRM主要聚集在致密相微滴中，而 GelMA 处于连续稀相中，随后通过光引发共价交联获得仿生ECM力学微环境的非均质水凝胶（Hetero）（图 2）。在水凝胶形成过程中，LLPS介导了共价交联的区室化分布，所形成的细胞尺度微域中高密度共价交联可以降低其他软基质区域的交联密度，从而促进细胞延展所需的基质重塑（图3）。所获得的完全共价键交联的仿生非均质水凝胶能显著促进包封的间充质干细胞（hMSCs）的星形铺展、力学转导及自噬通量循环，从而增强成骨分化与骨再生。这项研究打破了传统共价交联水凝胶不适用于三维细胞培养的束缚，不仅为通过LLPS介导的组装构建仿生ECM生物材料提供了有价值的指导，同时阐明了通过 ECM的力学信号调节三维细胞发育的生物学机制。

图2. LLPS介导非均质水凝胶（Hetero）的制备。

图3. 非均质水凝胶的结构非均质性和细胞适应性

  该工作以“Liquid–Liquid Phase Separation-Mediated Cellular-Scale Compartmentalization of Hydrogel Covalent Cross-Linking Promotes Microtubule-Based Mechanosensing”为题发表在《Journal of the American Chemical Society》上(J. Am. Chem. Soc. 2025)。华南理工大学生物医学科学与工程学院副研究员赵剑阳博士，2024级博士生胡媛和中山大学附属第一医院的李昊博士为文章的共同第一作者，华南理工大学边黎明教授、张琨雨副教授，中山大学附属第六医院宋斌副主任医师为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金、广东省自然科学基金等项目的支持。

  该工作是团队近期关于仿生ECM力学微环境水凝胶和三维细胞命运调控相关研究的最新进展之一。天然ECM非均质细胞自适应力学微环境是促进细胞生长发育的核心要素之一，然而其复杂性给仿生ECM生物材料的制备以及细胞发育调控研究带来了重大挑战。为此在过去的几年中，团队通过设计凝胶网络超动态性，系统探索了水凝胶所介导的力学信号对三维包封的干细胞生长发育的影响，揭示了凝胶网络结构对细胞力学转导、代谢和分化的调控机制(Nat. Commun. 2021, 3514; Adv. Mater. 2024, 202307176; Nat. Commun. 2025, 2711)。同时，团队发展了纳米尺度非均质动态水凝胶用于三维干细胞培养，并探索了纳米级非均质刚性结构促进干细胞力学感知的行为机制（Mater. Horizen. 2021, 8, 1722-1734；J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 28, 15218–15229）。考虑到天然ECM的微米级结构非均质性，近年来，团队开发了LLPS策略驱动水凝胶微米级大孔结构的组装形成，进而构建微米尺度非均质水凝胶，并实现了利用这类水凝胶进行三维细胞培养和相关细胞发育机制的探索（Adv. Mater. 2023, 202300636）。这些策略为构建仿生ECM微米级非均质力学微环境生物材料以及相关生物学效应和机制提供了新的见解。

  论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c00079