图1壳层硬化大孔水凝胶的设计原理示意图。

  近期，南京大学王炜/曹毅/蒋青/薛斌等人报道了一种具有时空程序化机械性能的大孔水凝胶，能够用于干细胞驱动的骨再生。作者通过液-液相分离软模板法在水凝胶内部构建大孔结构，并利用刚性蛋白纤维的界面自组装强化孔壳。水凝胶的大孔结构为干细胞增殖提供充足空间以避免接触抑制；刚性蛋白质纤维包覆的大孔结构为干细胞的成骨分化提供持续的机械信号刺激并抵御力学损伤。在时间尺度上，水凝胶呈现可调节的降解速率，并能在一定程度上与新生组织形成速率同步。通过整合局部机械异质性、大孔结构、表面化学和再生可降解性，作者在兔和猪模型中验证了这些干细胞封装水凝胶的再生功效。这项工作标志着机械异质水凝胶于干细胞辅助组织再生领域取得了重要进展。该工作以“Hydrogels with programmed spatiotemporal mechanical cues for stem cell-assisted bone regeneration”为题发表在《Nature Communications》上。文章通讯作者为南京大学王炜教授、曹毅教授、蒋青教授和薛斌副教授。该研究得到了国家自然科学基金，国家重点研发计划和江苏省自然科学基金等项目的支持。

图2壳层硬化大孔水凝胶的结构表征。

图3壳层硬化大孔水凝胶的局部机械异质性和可调降解性表征。

图4动态形变下壳层硬化大孔水凝胶对细胞的机械损伤保护。

图5刚性壳层机械刺激驱动的包封细胞成骨分化。

图6兔模型中包封干细胞的壳层硬化大孔水凝胶的骨再生实验。

图7 猪模型中包封干细胞的壳层硬化大孔水凝胶的骨再生实验。

  关注生物工程领域中骨组织再生这一重要问题，作者开发了具有独特力学性能和可调降解性的壳层硬化大孔水凝胶。具体而言，作者基于聚乙二醇（PEG）与葡聚糖液-液相分离的软模板技术，通过调节葡聚糖与PEG浓度控制相分离产生的非连续液滴尺寸；引入预组装的溶菌酶纳米纤维，借助界面自组装形成稳定蛋白纤维壳层。此外，通过调节体系内含可降解酯键交联剂的比例，实现材料降解速率的控制。实验结果表明，该水凝胶具备以下特性：（1）微米级大孔结构赋予局部机械异质性；（2）刚性蛋白纤维壳层在循环压缩载荷下可有效保护细胞并诱导成骨分化；（3）可调降解速率与新骨形成进程保持动态匹配。进一步地，在兔和猪骨缺损模型中的应用验证了该材料对骨再生显著促进作用。这种封装水凝胶突破了传统水凝胶支架在力学信号持续性与降解同步性方面的技术瓶颈，为干细胞介导的组织再生中临床应用提供了新方案。

  论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59016-6