ETH Zurich秦晓华团队《自然·通讯》：光控相分离原位构建微孔水凝胶，实现三维细胞培养微环境的精准调控
微孔水凝胶因其优异的溶质传输和细胞-材料相互作用性能，在三维细胞培养和组织工程中具有广泛应用。然而，现有的水凝胶多采用复杂或不可控的成孔手段，难以实现在活细胞三维培养环境下的时空调控。针对这一挑战，苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）秦晓华教授课题组开发了一种基于光聚合诱导相分离（PIPS）的新型细胞引导型微孔水凝胶系统，通过引入两种水溶性离子聚合物（改性PVA和硫酸葡聚糖），结合光交联反应在含细胞的环境中快速原位形成具有可调孔径的微孔结构。研究设计了一系列PIPS水凝胶配方，系统评估了光照强度、聚合物组成及分子电荷对成孔性能、力学性质和透过性的影响。结果表明，所得水凝胶孔径范围可调（2–40 μm），具有良好的孔连通性和细胞兼容性。进一步在RGD功能化微孔水凝胶中开展人间充质干细胞（hMSC）和人皮肤成纤维细胞（HDF）三维培养实验，验证了其优异的细胞包埋、生长与骨向分化能力。特别是在PIPS水凝胶中引入大分子拥挤培养环境后，HDF细胞的胶原I分泌显著增强，展现出材料与培养条件协同调控细胞外基质生成的潜力。此外，该研究还将PIPS水凝胶拓展至体积打印（Volumetric Printing）平台，实现了厘米尺度、秒级构建的三维细胞水凝胶结构打印，且保持了良好的孔结构和细胞活性。这种结合PIPS与光敏打印的策略，为个性化组织构建和功能组织工程提供了新的技术方案。图1：光聚合诱导相分离（PIPS）机制及微孔水凝胶形成过程该图展示了PIPS的技术原理及其水凝胶的结构与组成。在光照下，含有交联高分子（nPVA）、非交联聚合物（DS）及光引发剂的混合溶液发生原位相分离，同时形成微孔结构。孔形成由分子量增加引起的熵变驱动，并在交联过程中被锁定。图中还包括了水凝胶成分的分子结构及形成后微孔网络的图像，表明该策略能在含活细胞体系中实现快速、可控的成孔。通过光学显微与共聚焦成像，证实了nPVA与DS在特定浓度下可经UV光交联形成多孔水凝胶。使用荧光标记和傅里叶变换分析，清晰观察到光照前溶液均一、光照后形成规则孔隙。FITC-dextran扩散实验进一步验证了孔道连通性和可渗透性，表明水凝胶具备三维培养所需的微结构环境。系统比较不同nPVA与DS配比下PIPS水凝胶的孔径、孔隙率、力学性能和浊度变化。结果表明，增加DS浓度可显著提升孔隙率和平均孔径，而nPVA浓度则影响凝胶刚度。通过3D图像分析量化孔尺寸分布和孔隙连通性，验证形成的孔道连续性。通过调节光强（5–100 mW/cm²），研究发现PIPS过程中孔径随光强增加而减小，揭示了光交联速率越快，孔隙形成时间越短，最终孔径越小。光流变测试进一步表明交联速率与光强呈正相关，支持PIPS孔径与光强呈负相关的理论模型，为数字光调控微结构提供理论依据。在人间充质干细胞（hMSC）三维培养实验中，PIPS水凝胶显著提高了细胞活性、铺展能力和长期形态稳定性。经28天诱导，PIPS组细胞表现出更高的骨钙素表达、碱性磷酸酶活性和钙盐沉积，证实其对骨向分化的促进作用。孔隙结构对细胞树突伸展及迁移具有关键支持作用，为骨组织工程提供新型微环境平台。视频2: 利用PIPS微孔凝胶培养三维骨细胞网络展示视频3: hMSC干细胞利用凝胶的微孔结构可快速铺展并建立细胞间连接图6：PIPS水凝胶中促进hMSC骨向分化的机制验证通过免疫染色和酶活性分析，进一步确认PIPS水凝胶能促进hMSC骨相关标志物（Ocn、ALP）的表达与矿化沉积。细胞在微孔结构中形成更完整的细胞外基质与骨样组织，且空白对照无明显沉积，说明材料本身未干扰实验，差异源自于细胞行为的调节效果。这些数据支持PIPS微孔凝胶在诱导定向分化中的应用潜力。图7：PIPS水凝胶中HDF的三维培养与胶原分泌表现该图展示了人皮肤成纤维细胞（HDF）在PIPS与对照水凝胶中的三维行为差异。在PIPS组中，细胞自12小时起快速铺展并持续形态重构，而对照组几乎无明显铺展。进一步验证发现，PIPS水凝胶中若缺乏RGD功能化，细胞也不发生铺展，说明细胞黏附依赖RGD配体。
在胶原分泌方面，PIPS组显著优于对照组，细胞内外均可见胶原I表达；通过引入大分子拥挤培养条件（crowding medium）进一步增强胶原分泌，体现出微孔结构与培养环境的协同促进效应。这些结果显示PIPS微孔凝胶对细胞外基质生成具有积极调控作用。图8：结合PIPS水凝胶实现体积生物打印的结构构建示范该图展示了将PIPS水凝胶应用于体积打印技术的可行性与优势。通过优化水凝胶黏度（添加明胶）和调控成分比例，成功实现了含细胞微孔结构的厘米级三维打印。打印出的血管分支结构具备贯通通道，FITC-dextran灌注实验验证了孔道连通性与可灌注性。该策略为快速、高保真度构建生物功能性水凝胶结构提供新方案，展示其在复杂组织工程构建中的巨大潜力。综上所述，本文提出的光诱导相分离（PIPS）微孔水凝胶平台，在材料设计、成孔调控、细胞响应以及三维打印方面均展现出创新性和广泛应用前景，为再生医学与复杂组织构建提供了坚实的材料基础。本研究工作得到了瑞士国家科学基金（SNSF）、欧洲研究委员会（ERC）项目基金（SERI-ERC）以及ETH Zurich校内项目等的资助支持。瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）研究生Monica Müller与Margherita Bernero为共同第一作者，秦晓华教授为通讯作者。 其他作者包括博士生谢畅与邱婉婉，Thomas Michaels 教授及Ralph Müller教授。ETH Zurich - Biomaterials Engineering课题组 （https://bme.ethz.ch/）长期致力于智能生物材料的设计、合成与精密加工，并探索生物材料在人体组织-类器官工程与再生医学领域的前沿应用。https://www.nature.com/articles/s41467-025-60113-9声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！