上海交大庞燕团队 Nat. Commun.：细胞膜交联杂化水凝胶

2024-01-29 来源：高分子科技

皮肤作为人体最大的器官，是保护机体免受外来入侵的重要物理和免疫屏障。发展能够模拟皮肤结构和功能的方法有助于开发性能优异的仿生生物医用材料，以满足组织再生、可穿戴设备、软机器人、健康监测以及智能医疗诊断等领域的应用需求。然而，目前能够模拟皮肤结构、实现类皮肤功能、特别是先进机械和生物性能的制备方法较为有限。皮肤包括表皮、真皮和皮下组织，实际由角质形成细胞、成纤维细胞和脂肪细胞组成，这三层细胞嵌合在由胶原、弹性蛋白、透明质酸组成的细胞外基质中。因此，皮肤本质上可简化为一种由大量细胞通过细胞外基质紧密连接而成的水凝胶材料。受此启发，上海交通大学庞燕等人提出细胞膜表面超分子-共价级联改造方法，以细胞膜为交联面，制备了能够同时模拟皮肤结构和功能的仿生水凝胶材料（SFSHs，图1）。

图1 SFSHs的构建示意图

作为概念验证，作者选用益生菌Escherichia coli Nissle 1917细菌外膜囊泡作为细胞膜微区示例，借助二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇-丙烯酰胺（DSPE-PEG-AM）的亲疏水自组装在囊泡表面修饰烯丙基双键，进一步通过自由基聚合形成SFSHs。与由双丙烯基小分子交联剂形成的传统水凝胶相比，SFSHs因多个聚合物链连接到一个可机械变形的胞外囊泡上而具有独特优势。通过囊泡的变形实现能量耗散，极大提高了SFSHs的机械强度（图2）。当OMV-AM浓度为~1.5×10¹²个/ml、固含量为2%时，SFSHs的拉伸强度最优，其拉伸应力为192.98 ± 11.98kPa，拉伸模数为18.21 ± 1.35kPA，拉伸应变为1170.98 ± 68.76%。在95%的压缩应变下，SFSH的压缩应力和压缩模量分别达到3865.27 ± 169.97 kPa和26.16 ± 2.48kPa。

图2 SFSHs增强的机械强度

由于细菌外膜囊泡携带大量来自其母细胞的生物活性物质，SFSHs具有与皮肤类似的抗菌和免疫能力（图3）。由益生菌Escherichia coli Nissle 1917细菌外膜囊泡构建的SFSHs展现出良好的抑制致病菌Salmonella Typhimurium效果。另外，由于细菌外膜囊泡含有其母细胞固有的膜组分，如脂多糖等，表现出免疫原性，能够有效刺激树突状细胞的成熟和活化。

图3 SFSHs的抗菌和免疫激活能力

进一步地，作者在SFSHs中引入由第二种细菌外膜囊泡和聚合物链形成的第二网络，获得细胞膜交联双网络水凝胶，证明了SFSHs作为仿皮肤功能材料构建平台在调控结构和性能方面的通用性和灵活性（图4）。借助胆固醇-聚乙二醇-叠氮（Chol-PEG-N₃）的亲疏水自组装在囊泡表面修饰叠氮基团，进一步通过点击反应形成细胞膜交联双网络SFSHs。性能评价结果显示，SFSHs的机械强度进一步增强，同时获得了润滑、抗细胞和蛋白粘附的防污特性，以及促进共生菌定植及形成生物膜的能力。

图4 SFSHs的通用性

该工作发展了超分子作用-共价反应级联表面改造方法，提出了细胞膜交联策略，构建了结构和功能双重仿皮肤的水凝胶材料；进一步地，通过改变聚合物和细胞膜组分对水凝胶的结构和功能进行了调控，展示了细胞膜交联策略的灵活性和通用性。该工作为制备结构和功能双重可调的皮肤仿生材料提供了新的思路。近日，该工作以题为“Generating dual structurally and functionally skin-mimicking hydrogels by crosslinking cell-membrane compartments”发表于国际权威期刊Nature Communications。

该工作得到了国家自然科学基金项目、上海市启明星计划项目、科技部重点研发计划课题、上海交通大学医学院双百人计划等经费支持。吴冯副研究员为该论文第一作者，硕士生任彧晟为该论文共同第一作者，庞燕教授为该论文通讯作者，魏杰教授和刘尽尧研究员为共同通讯作者。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45006-7

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（责任编辑：xu）

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