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  近期，荷蘭奈梅亨大學(xué)Paul Kouwer教授聯(lián)合深圳先進(jìn)院劉開政博士、阮長順研究員以及河北工業(yè)大學(xué)袁宏博副教授，通過對比研究天然細(xì)胞外基質(zhì)和一種人工纖維水凝膠：螺旋聚異腈多肽水凝膠（PIC），在期刊Bioactive Materials上發(fā)表綜述文章：Cell-matrix reciprocity in 3D culture models with nonlinear elasticity，介紹了非線性力學(xué)性質(zhì)在細(xì)胞-基質(zhì)交互作用中的功能。

細(xì)胞-基質(zhì)雙向交互作用的示意圖，包括：纖維網(wǎng)絡(luò)密實(shí)化、基質(zhì)重塑、基質(zhì)硬度增加、長距離力學(xué)傳輸、新生蛋白沉積等

  細(xì)胞在體內(nèi)處于高度動(dòng)態(tài)且具有復(fù)雜成分的三維微環(huán)境，即天然細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）。ECM為人體組織提供力學(xué)支撐以及維持組織穩(wěn)態(tài)、修復(fù)和再生所必需的生物化學(xué)和生物力學(xué)信號。近年來的研究表明，細(xì)胞和基質(zhì)之間持續(xù)進(jìn)行著復(fù)雜的雙向力學(xué)交互作用：即細(xì)胞不僅能感受周圍的力學(xué)環(huán)境，還能夠主動(dòng)地改造和重塑基質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而反饋于細(xì)胞功能調(diào)控。這種交互作用在維持組織穩(wěn)態(tài)中起到至關(guān)重要的核心作用。因此，在體外三維基質(zhì)模型設(shè)計(jì)中應(yīng)該充分考慮體內(nèi)天然基質(zhì)的生物力學(xué)性質(zhì)。

  天然ECM同時(shí)具有多種復(fù)雜的力學(xué)性質(zhì)，包括非線性力學(xué)性質(zhì)/應(yīng)力剛化力學(xué)性質(zhì)（nonlinear mechanics/strain-stiffening）、粘彈性/應(yīng)力松弛（viscoelasticity/stress relaxation）以及力學(xué)可塑性（plasticity）等等。本文著重探討了其中一種特性——應(yīng)力剛化力學(xué)性質(zhì)，其特點(diǎn)是指人體組織受到一定外力后力學(xué)強(qiáng)度增加的現(xiàn)象。本文概述了該種性質(zhì)的定義、起源以及在細(xì)胞-基質(zhì)交互作用中所起到的調(diào)控及媒介作用。接下來，文章討論了兩種常用的天然細(xì)胞外基質(zhì)：膠原蛋白和纖維蛋白水凝膠，以及一種人工纖維水凝膠：PIC水凝膠。PIC擁有類似于生物凝膠的典型非線性力學(xué)性質(zhì)和纖維狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并具有力學(xué)性質(zhì)可調(diào)性。通過對比天然細(xì)胞外基質(zhì)和人工PIC水凝膠，綜述詳盡講解了上述材料的結(jié)構(gòu)、用途、優(yōu)勢和缺陷，為3D細(xì)胞培養(yǎng)相關(guān)的生物物理基礎(chǔ)研究和組織工程應(yīng)用提供新思路。

3D細(xì)胞-基質(zhì)交互作用研究模型的構(gòu)建以及天然ECM的復(fù)雜力學(xué)性質(zhì)。

PIC水凝膠的化學(xué)合成示意圖、可逆溫敏性質(zhì)、層級纖維結(jié)構(gòu)與非線性力學(xué)性質(zhì)。

  原文信息：Liu, K., Wiendels, M., Yuan, H., Ruan, C., & Kouwer, P. H. (2021). Cell-matrix reciprocity in 3D culture models with nonlinear elasticity. Bioactive Materials.

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X21003698

  https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.08.002

論文作者簡介

  第一作者：劉開政助理研究員，荷蘭奈梅亨大學(xué)/中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院

  深圳市海外高層次人才C類，曾入選歐盟地平線2020“瑪麗居里”ITN博士項(xiàng)目（2015年），獲得歐洲分子生物學(xué)會（EMBO）短期基金（2018年）。2014年本科畢業(yè)于南開大學(xué)，2015年碩士畢業(yè)于英國倫敦大學(xué)學(xué)院，2020年博士畢業(yè)于荷蘭奈梅亨大學(xué)。專注于三維微環(huán)境中的細(xì)胞-細(xì)胞外基質(zhì)力學(xué)交互作用。

  聯(lián)系方式：kz.liu@siat.ac.cn

  袁宏博副教授，河北工業(yè)大學(xué)

  碩士生導(dǎo)師，河北省高層次留學(xué)引進(jìn)人才，河北工業(yè)大學(xué)”元光學(xué)者”，2019年入選歐盟第七研究框架“瑪麗?居里學(xué)者”人才計(jì)劃，2020年獲得歐洲分子生物學(xué)組織（EMBO）短期訪問學(xué)者計(jì)劃，河北工業(yè)大學(xué)與荷蘭奈梅亨大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)雙博士。目前主持國家基金1項(xiàng)，河北省基金2項(xiàng)，并參與多項(xiàng)國家基金。主要研究領(lǐng)域?yàn)榻Y(jié)合材料科學(xué)與生物物理交叉研究的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)、構(gòu)建非線性仿生水凝膠及刺激響應(yīng)智能聚合物復(fù)合材料，研究細(xì)胞與基質(zhì)的相互作用以及對細(xì)胞的功能調(diào)控。

  聯(lián)系方式：hongbo_yuan@hebut.edu.cn

  阮長順研究員，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院

  博士生導(dǎo)師，國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者，廣東特支計(jì)劃青年拔尖人才，中國科學(xué)院青年促進(jìn)會會員，深圳市海外高層次人才。重慶大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程博士，意大利羅馬第二大學(xué)博士后，香港大學(xué)訪問學(xué)者。長期致力于精準(zhǔn)組織工程領(lǐng)域的新材料、新技術(shù)及新策略交叉科學(xué)研究，旨在通過系統(tǒng)性建立生物3D打印材料體系的可打印性、力學(xué)行為及生物活性等關(guān)鍵因素間相互影響規(guī)律，突破當(dāng)前生物3D打印技術(shù)的宏微觀尺度精確性，提高所構(gòu)筑組織工程體生物功能，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜組織/器官快速精準(zhǔn)組裝與功能重建;先后承擔(dān)多項(xiàng)國家及省市級項(xiàng)目基金，包括國自然基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等，累計(jì)科研經(jīng)費(fèi)逾千萬元；以一作或者通訊作者發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇，包括領(lǐng)域權(quán)威期刊：Advanced Functional Materials、Advanced Science、Bioactive Materials、Biomaterials及Biofabrication等；擔(dān)任中國康復(fù)醫(yī)學(xué)學(xué)會修復(fù)重建外科專業(yè)委員會常務(wù)委員、中國醫(yī)藥生物技術(shù)協(xié)會3D打印分會委員會委員、中國醫(yī)療保健國際交流促進(jìn)會骨科分會委員、中國醫(yī)學(xué)裝備協(xié)會醫(yī)用增材制造專業(yè)委員會委員及國際華人骨研學(xué)會（ICMRS）終身會員；擔(dān)任Bio-Design and Manufacturing 副主編、Chinese Chemical Letters 青年編委。

  聯(lián)系方式：cs.ruan@siat.ac.cn

  通訊作者：Paul Kouwer教授，荷蘭奈梅亨大學(xué)

  博士生導(dǎo)師，螺旋聚異腈水凝膠（PIC）發(fā)明人，2013年于Nature雜志發(fā)表文章Responsive biomimetic networks from polyisocyanopeptide hydrogels，首次報(bào)道了一種人工合成的非線性水凝膠材料。隨后基于PIC在Nature Communications (4篇)、Advanced Science以及Advanced Functional Materials等雜志發(fā)表多篇文章。專注于細(xì)胞外基質(zhì)的力學(xué)仿生人工材料及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

  聯(lián)系方式：p.kouwer@science.ru.nl