水凝胶：细胞培养的新篇章

在生物医学研究的广阔领域中，细胞培养技术一直是探索生命科学奥秘的重要工具。随着对细胞微环境影响认识的不断深入，科学家们越来越意识到，传统的细胞培养基质，如聚苯乙烯和玻璃，虽然操作简便，却难以真实模拟细胞在体内所面临的复杂环境。为了弥合这一差距，水凝胶——一种能够吸收水分的聚合物网络——因其模拟细胞外基质的卓越特性而成为细胞培养研究的新宠。本文将为读者揭开水凝胶的神秘面纱，探讨其在细胞培养中的独特应用，并提供一份实用的指南，以帮助研究人员选择和应用这些多功能材料。

1. 引言：文章开头强调了细胞外基质在调控细胞行为中的作用，以及水凝胶作为研究细胞过程和理解形态发生、衰老和疾病的一种手段。

2. 水凝胶与细胞培养：介绍了为什么使用水凝胶进行细胞培养，包括传统细胞培养材料的缺点和水凝胶的优势。

   

   (a） 在超生理硬质塑料或玻璃基板上进行常规 2D 培养会导致细胞表现出异常表型。（b） 在 2D 水凝胶膜上培养细胞具有一些与传统方法相同的缺点，但允许用户定义对底物刚度和粘附配体呈递。在越来越硬的 2D 基质上培养的人间充质干细胞 （MSC） 显示出越来越大的扩散面积。（c） 基质刚度（y 轴）和粘附配体类型（x 轴）相结合以调节 MSC 形态。随着硬度的增加，人间充质干细胞扩散得更多，但层粘连蛋白包被的水凝胶上的细胞比其他ECM蛋白涂层上的细胞小。

1. (a） 3D水凝胶可以被设计成为向细胞呈现更真实的微环境。标明了水凝胶设计变量。（b） 在 3D 海藻酸盐水凝胶中培养的小鼠 MSCs 显示出圆形形态，与底物刚度无关。左，5 kPa;右，110 kPa。（c） 包裹在3D胶原水凝胶中的牛真皮成纤维细胞以低刚度（<1 kPa）扩散。（d） 在透明质酸 （HA） 水凝胶中培养的人 MSC 受到限制，无论底物刚度如何（此处显示为 ∼4 kPa）。（e） 在 HA 水凝胶中培养的人 MSCs，其刚度与 d 中的刚度相当，但与 MMP 可降解交联剂交联，使细胞能够局部重塑其环境、产生牵引力和扩散。（f）人包皮成纤维细胞的扩散和迁移速度受胶原纤维大小的影响。
   

2. 水凝胶的制备和表征：

• 描述了形成水凝胶的两种主要方法：物理交联和化学交联。

• 讨论了水凝胶的机械特性、溶胀行为、网孔尺寸和降解性等重要特性，并介绍了如何表征这些特性。

3. 水凝胶的类型：文章详细介绍了几种常用于细胞培养的水凝胶，包括天然材料（如胶原蛋白、纤维蛋白、海藻酸盐）和合成材料（如聚丙烯酰胺、聚乙二醇），以及混合材料（如透明质酸、多肽）。

4. 水凝胶的选择：讨论了选择水凝胶时应考虑的因素，如细胞粘附性、培养稳定性和生物物理特性。

5. 水凝胶的灭菌：介绍了水凝胶灭菌的不同方法，以及在选择灭菌技术时应注意的事项。

6. 细胞从水凝胶中的分离：讨论了如何从水凝胶中分离细胞以进行进一步的分析或培养。

7. 水凝胶在细胞培养中的应用：提供了水凝胶在细胞培养中的一些应用实例，如药物筛选、细胞迁移和肿瘤发展研究。

8. 未来展望：文章最后讨论了水凝胶设计的未来趋势，包括响应性和指导性水凝胶的发展，以及微尺度技术与水凝胶设计的结合。

随着生物材料科学的不断进步，水凝胶作为细胞培养的基质，已经显示出其独特的优势和广泛的应用潜力。从模拟细胞外基质的复杂性到提供动态和响应性的微环境，水凝胶技术正推动着细胞培养领域向更高层次的发展。展望未来，我们可以期待水凝胶将更加精细地调控细胞命运和功能，为再生医学和疾病模型的构建提供更加强大的工具。