《Acta Biomaterialia》：Hydrogel Viscoelasticity Regulates Human Monocyte-derived Macrophage Morphology and Phenotype in 2D Culture
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为解决植入生物材料引发的异物反应（FBR）中巨噬细胞极化机制不清的问题，研究人员开展了关于水凝胶粘弹性调控人原代巨噬细胞行为的研究。他们通过设计初始模量相近但应力松弛特性迥异的聚丙烯酰胺水凝胶，发现粘弹性基质可促进巨噬细胞铺展与伸长，并减轻其促炎表型（TNF-α、IL-6分泌降低）。该研究首次揭示了具有生理相关应力松弛时间尺度的粘弹性是调控人巨噬细胞行为的关键力学参数，为设计具有免疫调节功能的下一代生物材料提供了新思路。
在人体内植入心脏支架、人工关节或药物缓释装置等生物材料，本是现代医学修复与治疗的重要手段。然而，我们的免疫系统常常将这些“外来客”视为入侵者，发起一场名为“异物反应”的防御战。在这场持久战中，巨噬细胞扮演着指挥官兼主力军的角色。它们会附着在材料表面，并可能被极化为促炎的“M1”表型，持续释放炎症因子，最终召集成纤维细胞形成致密的纤维包囊，将植入体层层包裹、隔离。这层“茧”不仅会阻碍植入体与周围组织的物质交换与整合，导致功能失效，还可能引发慢性炎症，严重影响治疗效果和患者生活质量。因此，如何“安抚”巨噬细胞，引导其走向抗炎的“M2”表型，是抑制异物反应、延长植入体寿命的核心挑战。
以往的研究多聚焦于材料的“刚度”如何影响细胞，因为细胞能像用手按压沙发一样感知基底的软硬。然而，活体组织（如大脑、肝脏）和许多生物材料并非理想的弹簧，它们具有更复杂的力学特性——粘弹性。这种材料在受力时，既有瞬时弹性形变，又会像粘稠液体一样随着时间发生松弛。这种“应力松弛”特性可能与细胞通过“分子离合器”与基质动态结合的时程相匹配，从而深刻影响细胞的“手感”与后续行为。尽管有零星研究暗示粘弹性会影响巨噬细胞，但这些研究大多使用小鼠细胞或细胞系，且所用材料的松弛过快（几秒内完成），与细胞感知力学的生理时间尺度（数十秒到数百秒）不符。更重要的是，人类巨噬细胞的应答可能因整合素谱等差异而与小鼠不同。因此，阐明具有生理相关松弛特性的粘弹性如何调控人原代巨噬细胞，对于设计适用于人类的、能主动调节免疫反应的“智能”生物材料至关重要。
为了回答这个关键问题，由Consuelo Coser、Vincenzo di Bari、Amir M. Ghaemmaghami和Jing Yang组成的研究团队在《Acta Biomaterialia》上发表了一项开创性研究。他们精心设计并系统比较了两种具有相似初始模量（模仿软组织力学）、化学组成及表面蛋白吸附，但粘弹性截然不同的聚丙烯酰胺水凝胶。其中，弹性水凝胶松弛极微，而粘弹性水凝胶在恒定应变下表现出显著的应力松弛，其初始模量在5分钟内下降约70%，半松弛时间约为15.8秒，这个时间尺度与细胞-基质结合动力学和力学转导的生理过程高度相关。
研究人员开展此项研究主要应用了以下几个关键技术方法：首先，通过流变学（包括振幅扫描、频率扫描和应力松弛测试）对合成的水凝胶进行全面的力学表征，确保比较的两种水凝胶具有可比的初始复模量但不同的松弛行为。其次，利用环境扫描电镜、光学轮廓仪、X射线光电子能谱、飞行时间二次离子质谱等技术系统表征了水凝胶的孔隙结构、表面形貌粗糙度及表面化学/蛋白吸附，以排除这些因素的干扰。研究使用的细胞来源于三名健康捐赠者外周血，通过CD14磁珠分选获得人原代单核细胞，并在巨噬细胞集落刺激因子诱导下分化为巨噬细胞，进行二维培养。最后，通过活/死染色、AlamarBlue检测细胞活性；通过共聚焦显微镜成像结合图像分析软件定量细胞形态（面积、偏心率）；通过免疫荧光染色定量促炎标志物钙卫蛋白和抗炎标志物甘露糖受体的表达；并通过酶联免疫吸附测定检测细胞上清中促炎因子和抗炎因子的分泌水平。
研究结果
1. 成功构建并表征了力学特性可控的PAAm水凝胶模型
研究人员通过调节丙烯酰胺和交联剂双丙烯酰胺的浓度与比例，筛选出两种水凝胶：PAAm 15% (80:1) 和 PAAm 20% (300:1)。流变学测试证实，两者具有相似的初始复模量（约为1.4 kPa），属于软组织模量范围。然而，它们的应力松弛行为迥异：PAAm 15% (80:1) 表现出近乎弹性的行为，松弛极微；而PAAm 20% (300:1) 则表现出典型的粘弹性，在10分钟内松弛模量下降约70%，τ1/2≈ 15.8 s。通过扫描电镜、光学轮廓仪、XPS、ToF-SIMS等多种技术表征证实，两种水凝胶在溶胀度、孔隙结构/网格尺寸、表面化学及蛋白吸附方面均无显著差异，仅表面粗糙度有轻微不同。这确保了后续观察到的细胞行为差异可主要归因于粘弹性（应力松弛）的不同。
2. 水凝胶具有良好的生物相容性，支持巨噬细胞生长
Live/Dead染色和AlamarBlue检测结果表明，人原代巨噬细胞在两种水凝胶上培养6天后均保持高活性，与组织培养塑料上的细胞活性相当，证明水凝胶无细胞毒性，内毒素污染水平可忽略不计，适合用于巨噬细胞培养研究。
3. 粘弹性水凝胶促进巨噬细胞铺展与伸长
通过共聚焦显微镜对细胞形态进行成像和定量分析发现，培养在粘弹性水凝胶上的巨噬细胞铺展面积显著更大（约404 μm2），几乎是弹性水凝胶上细胞（约198 μm2）的两倍。同时，粘弹性基质上的细胞偏心率更高（约0.75），形态更显细长；而弹性基质上的细胞更圆、更小，并且倾向于聚集成簇。这表明，具有生理相关松弛时间尺度的粘弹性基质，能够更有效地促进巨噬细胞与材料基底的相互作用和铺展。
4. 弹性水凝胶诱导促炎性表型
对巨噬细胞表型标志物的分析显示，培养在弹性水凝胶上的巨噬细胞，其促炎标志物钙卫蛋白的荧光强度显著高于粘弹性组。而两种细胞抗炎标志物甘露糖受体的表达则无统计学差异。钙卫蛋白与甘露糖受体的比值在弹性组也显著更高，表明弹性基质促使巨噬细胞向促炎（M1样）表型偏移。
5. 细胞因子分泌谱验证了表型分析结果
对细胞培养上清液的ELISA检测进一步证实了形态和表面标志物的发现。培养在弹性水凝胶上的巨噬细胞，其分泌的经典促炎细胞因子TNF-α和IL-6水平显著高于粘弹性组。而两种细胞分泌的抗炎细胞因子IL-10和CCL18则无显著差异。这综合表明，弹性水凝胶环境促进了巨噬细胞的促炎激活，而粘弹性水凝胶则与较低的炎症激活状态相关。
研究结论与意义
本研究首次明确揭示了，在初始模量相近的前提下，水凝胶的粘弹性（具体表现为应力松弛行为）是调控人原代单核细胞来源巨噬细胞形态和表型的关键独立因素。与松弛极微的弹性水凝胶相比，具有生理相关应力松弛时间尺度（τ1/2≈ 15.8 s）的粘弹性水凝胶，能更有效地促进巨噬细胞铺展和形态伸长。更重要的是，弹性基质会驱动巨噬细胞向促炎表型极化，表现为钙卫蛋白表达升高以及TNF-α和IL-6分泌增加；而粘弹性基质则能缓解这种促炎激活。
这项研究的意义重大。首先，它填补了材料力学与人类巨噬细胞极化之间关系的认知空白，将粘弹性确立为一个独立于刚度、可精确调控的生物学材料设计参数。其次，研究采用的应力松弛时间尺度与细胞-基质结合动力学及体内许多软组织的松弛行为相匹配，使得研究发现更具生理相关性和转化潜力。这为设计下一代植入式材料和组织工程支架提供了全新的思路：通过合理设计材料的粘弹性，特别是其应力松弛特性，或许能够主动“引导”宿主的免疫反应，减轻由巨噬细胞驱动的过度炎症和纤维化包裹，从而显著提高生物材料的长期相容性和功能持久性，最终改善患者的治疗结局。尽管从二维培养到复杂的体内三维环境仍需更多探索，但本研究无疑为开发具有免疫调节功能的“智能”生物材料奠定了坚实的力学基础。
