利用形状记忆水凝胶推进组织工程

组织工程和再生医学领域的主要目标之一是开发可替代受损组织的人工支架。这些材料必须理想地类似于天然组织，并且必须具有支持细胞粘附、增殖和分化的能力。

在考虑支架材料时，研究人员会考虑支架的特性，例如其表面粗糙度、含水量(水合状态)及其柔韧性或刚度(弹性模量)，因为已知这些特性会影响细胞生长。

水凝胶是具有高含水量的生物相容性交联聚合物，是一种有前途的软组织支架材料。它们可以设计成具有不同的弹性，可以匹配各种天然组织的机械性能。然而，它们的弹性模量与其成分有关，导致较软和较硬的水凝胶之间的特性存在差异。

为了研究水凝胶的弹性对细胞生长的具体影响，由日本同志社大学的 Shin-nosuke Nishimura 助理教授和 Tomoyuki Koga 教授领导的研究小组使用相同的聚合物开发了一种具有可调弹性模量的水凝胶。他们的研究结果发表在《先进材料技术》杂志上。

“水凝胶的弹性模量是控制细胞命运的最关键因素之一，”西村博士解释说。然而，具有不同弹性的水凝胶通常通过改变基础单体和交联剂来制备。这不仅影响弹性，而且影响各种特性，例如亲水性和疏水性。

为了避免这个问题，研究人员设计了没有任何交联的水凝胶。他们使用聚(N-丙烯酰甘氨酰胺)(PNAGAm)作为基础聚合物，这是一种侧链可形成强氢键的乙烯基聚合物。这些键在高温下断裂并在较低温度下重新连接，使这些聚合物具有独特的能力来记住并恢复其形状以响应温度变化。

为了提高水凝胶的细胞粘附性能，研究人员通过自由基共聚将PNAGAm聚合物与精氨酸(R)-甘氨酸(G)-天冬氨酸(D)-丝氨酸(S)肽结合在一起。这些肽代表体内发现的细胞结合位点，使水凝胶适合细胞生长。

与传统的水凝胶不同，所提出的水凝胶的弹性模量可以通过在高温下将其压缩成不同的厚度来调节。

当暴露在高温下时，聚合物内的氢键断裂，并在这种条件下压缩水凝胶，使聚合物网络和氢基交联更紧密地结合在一起。分子结构的这种变化导致水凝胶弹性模量的改变。

冷却后，由于氢键的重新连接，水凝胶保持其形状和弹性模量。

通过使用这种方法，研究人员成功改变了矩形水凝胶棒的弹性模量。他们在 65°C 下将水凝胶的不同部分压缩一小时，厚度分别为 1 毫米、0.64 毫米和 0.50 毫米。将其冷却至细胞培养温度37℃时，未加压、适度加压和强力加压区域的弹性模量分别为9,460Pa、5,940Pa和3,460Pa。

在将小鼠胚胎成纤维细胞 (NIH/3T3) 细胞接种到水凝胶中时，研究人员观察到水凝胶的弹性模量与粘附细胞数量之间存在直接相关性。在未加压区域中，粘附细胞的数量为1.3×10 4 个细胞cm -2，而在强力加压区域中，其增加至1.9×10 4 个细胞cm -2。

“在这项研究中，我们在世界上首次利用水凝胶的形状记忆特性成功地控制了细胞粘附行为，”Koga 教授说。

总之，通过改变弹性模量，同时保持其他特性一致，研究人员创建了一个可用于研究弹性模量对细胞生长影响的平台。这可以改进用于组织再生的支架材料。

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