水凝膠具有類似於細胞外基質的，具備良好力學性能、自癒合能力和響應性，可用於構建組織再生的微納米仿生結構，並提供微米尺度的表面形態來調節細胞行為，如細胞粘附、遷移或生存增殖分化因子的釋放。因此，水凝膠被廣泛應用於組織工程和藥物遞送等領域。然而，製備高精度的三維（3D）任意生物相容性水凝膠支架頗具挑戰性。為了適應未來生物醫學領域的發展，亟需開發具有精細3D幾何結構的新型水凝膠材料。
近日，中國科學院理化技術研究所仿生智能界面科學中心有機納米光子學實驗室研究員鄭美玲團隊在《ACS應用材料與界面》（ACS Applied Materials & Interfaces）上，發表了題為22 nm Resolution Achieved by Femtosecond Laser Two-Photon Polymerization of a Hyaluronic Acid Vinyl Ester Hydrogel的研究成果。該研究提出了真3D高精細任意可設計拓撲結構調控單細胞的新策略。
科研人員採用飛秒雷射雙光子聚合技術，以乙烯基酯透明質酸（HAVE）水凝膠作為單體材料，P2CK作為高效水溶性雙光子引發劑，二硫蘇糖醇（DTT）作為烯點擊化學交聯劑和PBS緩衝溶液配製了HAVE前驅體，通過配方優化和雷射焦點調控在水凝膠結構解析度上取得了重要進展即最高解析度達22 nm，製備了與細胞尺寸相當的水凝膠3D微支架並驗證了材料與結構的生物相容性，表明HAVE水凝膠細胞支架可進一步用於研究細胞遷移和操作等行為。
該團隊開展了配方優化實驗，通過改變單體和引發劑的質量比及控制硫醇-烯官能團比例篩選出溶解性好、易於加工和聚合性能良好的HAVE前驅體配方。
在幾十納米尺度的解析度中，體素相對於基底的位置是不可忽略的影響因素。為了進一步提高結構解析度，該團隊根據雷射焦點體素理論調控焦點與基底相對位置從而獲得更高解析度的線結構。如圖2所示，大功率雷射焦點光斑明亮，且體素體積較大，不易得到最佳焦點位置，而小功率雷射焦點光斑較弱，體素體積更小，更易獲得最佳焦點位置，基於此方法獲得了更高解析度的線結構。
通過上述配方優化和焦點調控，科研人員開展了HAVE前驅體C配方的解析度研究。當掃描速度為6 μm/s時，線結構的質量得到了顯著提高（圖3a），結構完整緻密。研究利用HAVE前驅體C配方實現了22 nm的解析度（圖3c）。
進一步，研究對HAVE前驅體配方進行了3D水凝膠微結構的雙光子聚合加工，利用原子力顯微鏡測量了3D細胞支架的楊氏模量，平均值94 kPa接近體內組織的力學性能。研究對配方中水溶性引發劑P2CK和3D細胞支架進行了生物相容性測試，驗證了該材料和結構具有良好的生物相容性。
綜上，該團隊全面研究了HAVE水凝膠光刻膠的雙光子聚合性能，通過優化光刻膠前驅體的配方和調節焦點位置獲得了22 nm的特徵線寬，並驗證了材料和3D水凝膠細胞支架的生物相容性。本研究提出的方案，有望創建複雜的生物相容性3D水凝膠結構，並探索其在個性化微環境調控、組織工程、生物醫學和仿生科學領域的潛在應用。
上述成果是該團隊前期一系列仿生水凝膠工作的拓展。研究工作得到國家重點研發計劃「納米科技」重點專項、國家自然科學面上基金、中國科學院國際夥伴計劃等的支持。
圖1.3D水凝膠的製備示意圖
表1 A-E系列HAVE前驅體配方優化及性能比較
圖2.體素形態和相對基底位置對大功率變化（a）和小功率變化（b）聚合線結構解析度的影響
圖3.HAVE前驅體C配方雙光子聚合性能研究
圖4.A和C配方製備的3D細胞支架結構的SEM對比圖以及水凝膠支架上共培養L929細胞的共聚焦螢光顯微鏡圖像
來源：中國科學院理化技術研究所
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