Advanced Functional Materials
各向异性液态晶体水凝胶指导肌肉细胞排列

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该研究成功制备了具有机械各向异性的液态晶体水凝胶（LCH），通过简单的剪切排列和3D生物打印技术，实现2D和3D环境下肌肉细胞的定向排列。LCH结合了液态晶体网络（LCN）的各向异性力学性能与聚乙二醇（PEG）水凝胶的生物相容性，为再生医学中细胞排列控制提供了新的材料平台。

 

文献概述
本文《Anisotropic liquid crystalline hydrogels direct 2D and 3D myoblast alignment》，发表于《Advanced Functional Materials》杂志，回顾并总结了利用液态晶体水凝胶指导肌肉前体细胞（C2C12）在2D和3D环境中的排列行为。该研究提供了一种无需纳米填料或纤维结构的合成水凝胶制备方法，拓展了组织工程中细胞响应各向异性力学信号的理解。

背景知识
肌肉组织具有高度定向的微结构，细胞排列对组织功能至关重要。传统水凝胶多为同性材料，难以模拟天然组织的各向异性结构。已有研究尝试通过剪切或磁场对齐天然聚合物（如胶原、纤维蛋白）来实现各向异性，但其纤维结构引入了接触引导等混杂因素。液态晶体网络（LCN）材料虽可实现分子排列，但其刚度远高于软组织，限制其在生物相容性中的应用。本研究通过结合LCN的力学各向异性与PEG水凝胶的柔软性，开发了适用于生物打印、细胞排列控制的新型水凝胶平台。该平台可用于研究细胞如何感知并响应各向异性力学环境，为再生医学提供材料支持。

 

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研究方法与实验
研究团队采用两步合成法，通过硫醇-Michael加成反应将液态晶体（LC）单体与聚乙二醇（PEG）-二硫醇结合，形成丙烯酸酯封端的LC-PEG低聚物。这些低聚物在水中溶胀后可通过直接墨水书写（DIW）3D打印或玻璃片剪切对齐，并通过光聚合固定排列结构。水凝胶的机械性能、光学双折射、细胞排列能力均通过流变学、X射线散射、偏振显微镜及细胞培养实验进行评估。

关键结论与观点

• 成功制备了机械各向异性的液态晶体水凝胶（LCH），其杨氏模量在平行与垂直方向存在显著差异（EII / E⊥ = 1.53）
• LCH在湿润状态下仍保持光学双折射特性，表明其结构各向异性在水环境中稳定
• 剪切排列的LCH支持C2C12肌母细胞在2D表面沿刚度最大方向排列，且在3D打印水凝胶纤维中维持细胞极性
• 研究揭示LCH的机械各向异性可指导细胞排列，而无需依赖传统接触引导机制
• 水凝胶的剪切稀化和快速光聚合特性使其适用于3D生物打印，为组织工程提供可编程排列控制手段

研究意义与展望
该研究为组织工程提供了新型合成水凝胶平台，可模拟天然组织的机械各向异性环境。未来研究可进一步探索细胞如何感知并响应LCH的力学信号，以及如何通过牵引力显微技术定量分析细胞行为。该平台还可拓展至其他细胞类型和组织工程应用，为再生医学提供材料基础。

 

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结语
该研究开发了一种新型液态晶体水凝胶（LCH），其结合了液态晶体网络的机械各向异性与PEG水凝胶的生物相容性。通过简单的剪切对齐和光聚合技术，LCH可在2D和3D环境下引导肌肉细胞排列。这一成果为再生医学提供了可编程、可打印的生物材料平台，可精确控制细胞取向，从而模拟天然肌肉组织的排列结构。未来可进一步优化材料降解性、细胞响应机制，并拓展至多细胞共培养和复杂组织工程应用，为生物制造和疾病模型研究提供材料基础。

 

Nathaniel P Skillin, Lorin Danielsen, Bruce E Kirkpatrick, Kristi S Anseth, and Timothy J White. Anisotropic liquid crystalline hydrogels direct 2D and 3D myoblast alignment. Advanced functional materials.