在人体组织中，细胞嵌入细胞外基质中。该基质由纤维状结构组成，为组织提供坚固性，但也影响细胞行为并促进细胞生长。

博士 候选人 Laura Rijns 研究了如何使用超分子水凝胶模拟基质。她为此制定的设计规则可能有助于未来开发更复杂的活组织，例如用于测试医学。上周五，她在生物医学工程系进行了论文答辩。

“我们体内的每个细胞都被一种叫做细胞外基质的东西包围着，”TU/e 研究员 Laura Rijns 说。顾名思义，细胞外基质 (ECM) 位于细胞外部，但对我们的生物组织起着重要作用。

“这种 ECM 由细长纤维组成，为组织提供硬度和结构，同时也负责将化学信号传递到细胞。这发生在附着点，”她解释道。

ECM 的特性决定了细胞将要做什么：软 ECM 将产生软组织，例如大脑，而较硬的 ECM 将产生硬骨组织。通过向细胞提供信息，ECM 决定“细胞的命运”。因此，基质不仅具有结合和强化的作用，而且还在细胞的形成和功能中发挥作用。

利用体外组织模型，可以改进再生细胞疗法和测试药物。“但是为了制作良好的组织模型，我们必须能够准确地模拟 ECM，”Rijns 说。目前，我们可以在这方面使用一系列天然和合成生物材料，每种材料都有自己的优点和局限性。“目前仿制品的主要问题是很难控制它们的特性。”

ECM 的特性可分为三大类：机械特性(材料的刚性，即硬或软)、生物活性特性(ECM 向细胞发出的化学信号)和动态特性(结构的移动性) 。

这些特性极大地影响细胞的行为。例如，基质需要一定程度的移动性以允许细胞生长并形成组织。但如果纤维的活动性太大，细胞就很难附着在附着点上。因此，在模拟 ECM 时，充分控制这三个属性至关重要。

超分子水凝胶

在她的研究中，Rijns 考虑使用超分子水凝胶来模拟 ECM，超分子水凝胶是一种特殊类型的合成生物材料，具有许多优点。“它们非常模块化且本质上是动态的，这意味着很容易整合功能。”

她摘下一个串珠手链，来回移动串珠。“超分子水凝胶由形成弱可逆键的分子组成，从而形成更长的纤维状结构。这意味着它们被结合在一起，但它们并不像这些珠子那样真正附着在一起。因此新的键可以不断形成和分解，”她解释道，同时拉开一些珠子来说明她的观点。

这使得添加分子变得容易。“这些都是绿色的珠子，”她继续指着手镯。“但由于它们彼此不相连，因此很容易插入黄色或红色珠子，就像我们可以在分子水平上整合具有不同生物功能的分子来影响细胞行为一样。”

设计规则

尽管超分子水凝胶的优点很明显，但需要大量信息才能正确使用它们。挑战之一是将材料和细胞结合在一起。“你不能只是将细胞与凝胶混合，因为它涉及一个相当固定的结构，你不能简单地在其中引入新的东西。

因此，材料和细胞的混合必须在它仍然是液体时进行，”她解释道。“通过调整温度、pH、浓度和交联剂分子，你可以混合处于液态的细胞和材料。 。通过在末端添加交联剂分子，含有细胞的材料将从液体变成凝胶。”

Rijns 还研究了如何影响超分子水凝胶的机械、动态和生物活性特性，以了解和控制细胞与材料之间的相互作用。“例如，对于生物活性，我们研究了我们提供的配体[信号分子]类型是否有影响。或者就珠子的类比而言，它是否需要是绿色球体还是红色立方体，”她解释道。

“这就是我们发现这取决于细胞类型的原因：肠道组织需要与肾组织不同的配体。”

根据这些信息，她为影响细胞和材料之间相互作用的每个基质属性制定了设计规则。“如果你要在实验室中培养一些细胞的组织，你现在可以做得更好，因为你知道基质需要有多动态和刚性，以及你需要什么样的生物活性。”

得益于这些指导方针，我们可以确保某种类型的细胞发育成某种类型的组织或微型器官。“以前，我们不知道如何设计基质，不知道你是否需要绿色或蓝色的珠子，以及你是否想要蛋黄酱的稠度或更坚硬的东西，比如更硬的果冻。现在我们知道了。”

博士学位。候选人希望设计规则可以帮助其他研究人员指导细胞和材料之间的相互作用。“即使他们使用的不是超分子水凝胶而是其他生物材料，现在他们也知道它需要有多大的刚性。”

设计规则最终可能有助于开发更复杂的组织，用于使用患者来源的组织和组织移植进行药物筛选，而不会产生排斥风险。

但这些规则也非常适用于其他领域，例如生物电子学，这是一个新兴的研究领域，Rijns 本人在完成博士学位后将在该领域工作。一月份，她将获得尼尔斯·斯坦森奖学金，在斯坦福大学启动生物电子领域的一个新研究项目。

“例如，在这个领域，开发了可以佩戴或植入皮肤的电子材料。细胞和材料之间的相互作用也至关重要，因为合成的电子材料必须能够与活细胞准确地沟通，”她解释道。

“我希望从我的博士研究中汲取设计规则，并将其应用到这些电子材料中。通过这种方式，我们的目标是监测生理功能，从长远来看，甚至可以修复患病的神经组织，例如阿尔茨海默病疾病。”

她的论文是在实验室花费数千小时和许多漫长夜晚的成果。从这个意义上说，莱恩斯是孜孜不倦的。“如果我做一件事，我就会全力以赴，全身心投入。在过去的四年里，我百分百专注于我的博士学位，”她承认道。她将以同样的热情和动力在美国继续她的研究。

她的最终梦想是在完成博士后后建立自己的实验室，并对能够与活体组织准确通讯的生物材料进行进一步的研究。有一件事是肯定的：如果这就是生活带她去的地方，她会一如既往地全力以赴。

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