大家好！今天我们来了解一篇《Engineered Living Hydrogels》发表于《Advanced Materials》的研究。工程活凝胶作为一种新型生物系统，融合了活微生物细胞和水凝胶基质的优势。它的出现得益于微生物细胞工程和材料制造的创新。这种材料在多个领域展现出巨大潜力，同时也面临诸多挑战。我们将深入了解其组成、类型、细胞与水凝胶的相互作用以及应用和面临的问题，一同探索这个充满希望的研究方向。

*本文只做阅读笔记分享*

一、引言

工程活凝胶是一种新型的生物系统，它是由活微生物细胞包裹在水凝胶基质中生成的。这种技术的发展得益于微生物细胞工程和材料制造创新。本文将讨论水凝胶基质与工程活细胞之间的相互作用，以及工程活凝胶与其环境之间的相互作用，并强调工程活凝胶在临床和环境应用中的挑战。

二、水凝胶和水凝胶基质的类型

（一）细胞生成水凝胶

设计灵感源于微生物细胞在液体培养中形成生物膜的现象。例如，芽孢杆菌生物膜基质由胞外多糖和分泌蛋白组成，而葡糖醋杆菌能产生细菌纤维素纳米纤维构成生物膜基质。

细胞生成水凝胶具有自我复制、自我补充和自我修复的能力，像大肠杆菌产生的curli水凝胶可在肠道中作为黏附性伤口贴片，持续数天。

（二）合成水凝胶

为了将活的微生物细胞封装在合成水凝胶中，首先将细胞分散在未交联溶液中，然后在制造过程中进行交联。可采用多种制造方法，如成型、乳液、静电纺丝等。

其聚合物网络可由天然或合成聚合物组成，化学成分和微观结构更可控。例如，微生物细胞负载的水凝胶珠可作为环境中的重金属探测器，3D打印的细胞负载水凝胶图案可作为皮肤上的生物传感器。

（三）水凝胶室

通过软光刻或基于光的3D打印创建，并确保密封。室的大小对微生物细胞生长有物理限制，其化学交换受水凝胶壁影响。

对研究基因网络动力学等基础研究以及生物医学应用很有用，例如，3D打印的水凝胶结构可用于研究多种微生物的致病性，也可用于检测环境毒素的可穿戴设备。

三、水凝胶对活细胞的影响

（一）聚合物网络化学成分的影响

1.维持细胞活力

为确保聚合物网络的生物相容性，水凝胶可由多糖或聚酰胺制成，如琼脂、藻酸盐等。同时，一些合成聚合物如聚丙烯酰胺、聚乙烯醇等也被广泛采用，以维持水凝胶稳定性。例如，藻酸盐水凝胶珠中的微生物细胞在特定条件下数量不变，可能是因为藻酸盐的阴离子聚合物网络限制了某些分子的扩散。

2.调节细胞附着和粘附

电荷和亲水性是影响微生物-水凝胶界面的关键因素。一般来说，带正电或中性电荷的水凝胶更易被微生物定植，但带正电的水凝胶可能导致微生物细胞裂解。例如，大肠杆菌与葡聚糖基水凝胶有高亲和力，细胞运动性降低。此外，一些天然聚合物与微生物细胞有特定的化学相互作用，如血清蛋白可与某些微生物菌株特异性结合，促进微生物对水凝胶的粘附。

（二）水溶液化学成分的影响

1.非多孔水凝胶

非多孔水凝胶中，聚合物网络的网格尺寸调节化合物的化学扩散。小分子可自由扩散，而大分子则受到阻碍。例如，藻酸盐水凝胶可因静电吸引而螯合阳离子，细胞本身也可影响化学物质的时空分布。

2.多孔水凝胶

多孔水凝胶的宏观孔隙允许化合物的对流运输，其孔隙大小可影响微生物细胞的运动和生长。例如，芽孢杆菌生物膜中的通道可促进液体流动和营养物质运输，微生物细胞在多孔水凝胶中的生长和移动受代谢底物和产物的浓度梯度调节。

（三）机械约束的影响

1.单细胞水平

水凝胶结构施加的空间限制影响微生物细胞的运动性和形态。在多孔水凝胶中，微生物细胞可能呈现跳跃-捕获动态，随着孔径减小，跳跃长度减小。当特征尺寸小于细胞尺寸时，细胞运动受阻，细胞可能会伸长和分裂。

2.群体水平

微观结构限制细胞分裂和群体生长。例如，在水凝胶制成的微观室中，微生物细胞在占据空间后，群体扩张会受到阻碍。

（四）机械力的影响

1.非多孔水凝胶中的细胞生长

细胞生长导致聚合物网络的链拉伸，细胞在水凝胶中生长时会受到机械压缩，在硬水凝胶中细胞生长率会降低。

2.生物膜的形成和分散

生物膜与底物之间存在机械相互作用，包括表面粘附和剪切应力。例如，受体-配体相互作用促进生物膜形成，机械应力可促进某些细菌的粘附和生物膜生成。在流体运动存在时，剪切应力可改变生物膜结构，甚至导致细胞群落的分散。

四、活细胞对水凝胶的影响

（一）对水凝胶生成的影响

微生物可作为生物工厂生产生物聚合物用于创建新结构。例如，通过工程微生物细胞的生物合成途径，可调控细菌纤维素的生产。将细菌纤维素合成酶基因置于更强的启动子下，可提高纤维素生产速率。

（二）对水凝胶修复和增强的影响

细胞生成的活凝胶具有再生能力，可修复受损材料。例如，微生物细胞的代谢产物可愈合混凝土中的裂缝。

此外，还可通过释放单体形成聚合物网络或诱导碳酸钙矿化等方式增强水凝胶基质。

（三）对水凝胶降解的影响

微生物细胞可诱导水凝胶基质的机械和化学降解。例如，肠道菌产生的水解外酶可分解脂质和蛋白质基聚合物，纤维素酶产生菌可分解纤维素基聚合物。

（四）对水凝胶图案形成的影响

微生物细胞可用于在材料上产生动态图案。例如，通过形态发生素梯度或光学信号可调节图案形成，微生物细胞还可通过基因表达的自组织模式产生图案。

五、工程活凝胶的应用

（一）用于传感

外部信号通过水凝胶基质传递给活微生物细胞，细胞通过遗传模块报告信号。例如，可用于检测糖尿病患者尿液中的病理糖尿，或检测环境中的重金属离子。

（二）用于治疗

可产生多种可溶性生物分子用于疾病治疗和环境修复。例如，可释放抗菌剂、酶等，还可吸收和代谢环境中的毒素和污染物。此外，可产生不溶性纳米材料用于治疗皮肤或肠道损伤，如微生物生物膜可作为伤口敷料和组织粘合剂。

（三）用于能量转换

可将一种类型的能量转换为另一种类型。例如，光合微生物可将光能转换为化学能，电活性微生物细胞可将化学能转换为电能，微生物细胞的运动可将化学能转换为机械能。

六、工程活凝胶面临的挑战和展望

在实际应用中，工程活凝胶面临着环境多变、细胞功能一致性、生物安全和生物相容性等挑战。需要深入研究其设计原则，通过基因工程扩展其功能，并解决生物安全和生物相容性问题。

七、一起来做做题吧

1、工程活凝胶是由什么组成的？

A.仅活微生物细胞

B.仅水凝胶基质

C.活微生物细胞包裹在水凝胶基质中

D.活植物细胞和水凝胶基质

2、细胞生成水凝胶的设计灵感来源于什么？

A.微生物细胞在固体培养中的生长

B.微生物细胞在液体培养中形成生物膜的现象

C.植物细胞在液体培养中的生长

D.动物细胞在固体培养中的生长

3、以下哪种是合成水凝胶的制造过程？

A.将细胞分散在交联溶液中，然后进行制造

B.先制造水凝胶，然后将细胞引入其孔隙

C.将细胞分散在未交联溶液中，然后在制造过程中进行交联

D.将细胞与聚合物直接混合制造

4、在水凝胶中，为确保聚合物网络的生物相容性，以下哪种材料可被采用？

A.仅合成聚合物

B.仅多糖或聚酰胺

C.多糖或聚酰胺以及一些合成聚合物

D.金属材料

5、在非多孔水凝胶中，哪种分子的扩散受聚合物网络网格尺寸的调节？

A.仅大分子

B.仅小分子

C.大分子和小分子

D.细胞本身不受影响

6、微生物细胞对水凝胶生成的影响主要体现在什么方面？

A.仅分解水凝胶

B.作为生物工厂生产生物聚合物用于创建新结构

C.仅改变水凝胶的颜色

D.抑制水凝胶的形成

7、微生物细胞可通过什么方式修复受损的水凝胶材料？

A.仅通过自身分裂填充裂缝

B.其代谢产物可愈合基质材料中的裂缝

C.改变水凝胶的化学组成

D.释放氧气修复

8、工程活凝胶在传感应用中，外部信号是如何传递的？

A.直接传递给细胞，无需水凝胶基质

B.通过水凝胶基质传递给活微生物细胞

C.先在细胞中产生，再传递给水凝胶基质

D.通过空气传递

9、工程活凝胶用于治疗时，可产生以下哪种物质？

A.仅无机物质

B.多种可溶性生物分子以及不溶性纳米材料

C.仅气体物质

D.仅水凝胶碎片

10、工程活凝胶在实际应用中面临的挑战不包括以下哪项？

A.环境多变

B.细胞功能一致性问题

C.完全符合所有生物安全和生物相容性要求

D.材料成本过高

参考文献：

Liu X, et al. Engineered Living Hydrogels. Adv Mater. 2022 Jul;34(26):e2201326.