基于仿生矿化构建应力刚化螺旋聚异腈多肽复合水凝胶

Polyisocyanopeptides (PIC) hydrogels display particular mechanical responses (strain stiffening) and exhibit great potentials for three-dimensional (3D) cell culture and stem cell differentiation, which mimic in nearly all aspects gels prepared from intermediate filaments. However, the relatively weaker elastic modulus and stability of PIC hydrogels restrict their wide application. Notably, biominerals produced by biomineralization have excellent mechanical properties owing to their exquisite structure and complex morphology, which form in a hydrogel environment. In this proposal, we will design and develop a composite of calcium phosphate nanoparticles and PIC hydrogel based on the bio-inspired mineralization of alkaline phosphatase or osteoblast. It is expected that the formation of PIC/CaPO4 nanoparticle composite hydrogels have ultra-stiff mechanical properties with tunable mechanics to mimic the cartilage and skin of animals. Furthermore, PIC hydrogel will be also used as an extracellular matrix for osteoblast 3D culture to study the interaction of PIC hydrogel with secretions of osteoblast, such as alkaline phosphatase, calcium salt crystals, osteocalcin and other biominerals, which helps for investigating the mechanical cue in stem cell differentiation. This protocol will provide new thinking for designing ultra-stiff PIC hydrogel and extending the application of PIC hydrogels in osteoblast differentiation.

螺旋聚异腈多肽（Polyisocyanopeptides,PIC）是一种类似于细胞骨架中间纤维，具有应力刚化性质的仿生水凝胶，在细胞的3D培养和诱导分化方面表现出巨大潜力。但是，PIC水凝胶的机械强度和稳定性相对较弱，限制了其广泛应用。生物矿化通常是在细胞内水凝胶的环境下进行，其生物矿物具有精细的结构、复杂的形貌以及普通人工合成水凝胶无法比拟的优异性能。因此，本项目旨在基于碱性磷酸酶或成骨细胞的生物矿化作用，构建磷酸钙沉淀纳米颗粒与PIC水凝胶的复合物，设计、发展类似于动物软骨和皮肤，具有高机械强度和应力刚化性质的PIC/CaPO4纳米颗粒仿生复合水凝胶；并研究成骨细胞在3D环境成熟过程中分泌至胞外的碱性磷酸酶、钙盐结晶体和骨钙素等生物矿物与PIC水凝胶基质的相互作用过程，探索力学环境对成骨细胞分化的影响，为构建超硬PIC水凝胶和拓展PIC水凝胶在诱导成骨细胞分化领域的应用提供新的思路。

生物组织和天然细胞外基质并非单纯的线性弹性材料，与大多数合成水凝胶相比，它们表现出复杂的非线性力学性质，例如：应力刚化、机械可塑性和粘弹性等。螺旋聚异腈多肽（Polyisocyanopeptides, PIC）水凝胶，是一种由半柔性聚合物通过疏水相互作用组装形成的网络结构，在生物的硬度范围内展示出超强的非线性力学响应能力，即应力刚化的性质。本项目基于PIC构建了多种具有应力刚化性质的复合仿生水凝胶体系，拓展了PIC水凝胶的机械性质，赋予了PIC水凝胶刺激响应特性和新的功能。此外，探索了复合PIC水凝胶在调控细胞功能、抗菌以及抗癌等方面的生物应用，拓展了PIC水凝胶的应用范围。主要取得成果包括：（1）利用生物矿化策略，构建了PIC与羟基磷灰石纳米颗粒（HA）的复合水凝胶，模拟动物的软骨组织。PIC/HA表现出更加敏感的应力刚化性质，能够加速诱导MC3T3-E1向成骨细胞分化，在骨组织工程领域展示出良好的应用前景。（2）通过大分子组装，构建了PIC和水溶性聚噻吩衍生物（PMNT）的复合水凝胶材料。PIC作为模板捕获PMNT，并将PMNT的聚噻吩骨架拉伸成高度平面、有序的构象。在红光照射下，PMNT/PIC复合水凝胶展现出高的ROS生成效率，并具有广谱抗菌活性。（3）利用PIC凝胶作为模型基质对肝癌细胞HepG2进行3D培养，我们发现基质的应力刚化性质能够影响KCa3.1钾通道的表达，进而影响HepG2细胞的增殖和迁移。通过F-肌动蛋白抑制剂latrunculin.A抑制细胞应力纤维的形成，降低细胞对基质机械环境的敏感度，导致YAP和KCa3.1钾通道的表达降低。因此，我们提出PIC水凝胶的应力刚化性质通过影响细胞骨架应力纤维的形成和YAP，调节KCa3.1通道的表达水平，进而影响细胞功能。本项目将为理解基质非线性性质在细胞功能调控中的作用以及仿生水凝胶的开发提供新的思路。