光已经成为细胞生物学和材料科学领域日益交织的领域中制造和操纵生命系统的重要工具。随着当前科学研究的跨学科性质不断扩大，以及对生物材料合成和改性的高度精确刺激的持续追求，光以其低细胞毒性和高生物正交性而成为黄金标准，使得在三维空间和时间（即4D）中调节属性成为可能。光不仅可以控制变化发生的时间地点，剂量调节还允许控制材料定制的程度，为接近原生组织4D复杂性的工程构建提供了一条途径。最近的技术创新涵盖了立体光刻、数字光处理、体积生物打印、多光子光刻和灰度制造等领域的进步。材料化学与技术的发展步伐相匹配：新的光化学允许构建具有复杂机械和生化功能的动态材料，例如按需激活蛋白质、快速凝胶形成/降解以及信号因子的固定/释放。在此，华盛顿大学Cole A. DeForest团队讨论了基于光的快速制造和光响应化学的结合，并强调了使用光化学在设计和用户定义定制水凝胶生物材料中的未来机会。预计这些领域将继续共同发展，并受到传统不同学科（如蛋白质工程和无机化学）的新见解的影响，从而促进细胞发育和疾病进展方面的进一步发现，以及协调高级组织构建。该研究以题为“Light-based fabrication and 4D customization of hydrogel biomaterials”的论文发表在《Nature Reviews Bioengineering》上。
图1展示了基于光的制造方法，这些方法可以分为三种不同的图案制作方法：数字光处理（DLP）、多光子光刻（MPL）和体视光刻。这些技术能够以不同的最小特征尺寸和制造速率来实现水凝胶的精确构建。DLP技术因其较低的成本、材料灵活性以及在大面积上微米级分辨率的实现而被广泛用于生物材料打印。然而，DLP技术无法达到细胞级分辨率，并且由于其逐层制造的特性，可能导致打印时间长。相比之下，MPL技术能够实现亚细胞级分辨率，但制造速度较慢，并且成本较高。体视光刻则是一种较新的技术，能够在几秒内快速制造出厘米级尺度的结构，最小特征尺寸约为40微米。因此，这些光基制造技术各有优势和局限性，选择合适的技术取决于目标应用的具体要求。
图1|光基制造方法
【通过光控制水凝胶的机械性能，以影响细胞命运和形态】
图2阐述了如何利用光来控制水凝胶的机械性能，从而影响细胞命运和形态。图中展示了通过光引发反应使水凝胶在细胞周围硬化，进而研究机械转导途径，例如NFAT的核定位。同时，展示了通过光敏基团如钌或oNB交联的水凝胶可以用于选择性降解空隙以指导类器官生长。此外，还介绍了基于可逆键交换化学的动态材料，如AFCT和基于光敏蛋白对的材料，这些材料能够在光照射下暂时改变刚度。这些技术的应用证明了光响应性水凝胶在模拟细胞外基质的力学特性方面具有巨大的潜力，可以用来研究细胞对力学环境变化的响应，包括细胞的机械记忆和力学转导过程。因此，光控水凝胶为研究细胞与环境之间的复杂相互作用提供了一个强有力的工具，有助于深入理解细胞行为，并为疾病模型和组织工程提供新的见解。
图2|通过光控制水凝胶的机械性能，以影响细胞命运和形态
【光调节水凝胶的生化活性和组成】
图3展示了如何通过光调节水凝胶中的生化活性和组成，包括蛋白质和肽的固定、释放和原位激活。例如，通过光解离策略，可以控制Jagged1等蛋白质的活性，以及通过光激活的SpyLigation（LASL）技术实现分裂蛋白的不可逆组装。此外，还介绍了通过光解离蛋白（PhoCl）实现感兴趣蛋白（POI）的不可逆释放，以及利用LOV2陷阱和释放蛋白（LOVTRAP）系统可逆地将POI固定到水凝胶上。这些方法为精确控制细胞微环境中的生化信号提供了强大的工具，使得科学家能够在三维空间中精确地操纵细胞行为和组织形成。因此，光调节水凝胶为生物材料的动态功能化提供了一种有效手段，能够实现对细胞行为的精确调控，这对于组织工程和再生医学等领域具有重要意义。
图3|光调节水凝胶的生化活性和组成
【该领域的主要里程碑时间表】
图4通过时间线的形式，概括了光化学、水凝胶展示和图案制作技术在过去三十年中的重要进展。这些里程碑包括光敏水凝胶的首次展示、多光子光刻技术的改进、以及光控水凝胶的创新应用等。这些技术的发展，不仅推动了对细胞微环境控制手段的进步，还为精确的组织构建提供了新的可能。因此，随着这些技术的不断进步和创新，我们能够前所未有地控制细胞微环境，从而为生物医学研究和临床应用开辟了新的道路。
图4|该领域的主要里程碑时间表
【小结】
该研究强调了光响应性水凝胶在组织工程和生物材料科学中的重要性，指出光作为一种独特的刺激方式，可以精确控制水凝胶生物材料的时空特性，实现对细胞微环境的精确定制。随着光化学和制造技术的进步，研究人员能够开发出对可见光和近红外光有反应的新型化学系统，这些系统能够快速、高分辨率地构建复杂的组织结构。论文展望了光化学和图案化技术未来的发展方向，认为通过跨学科合作，结合生物学家和临床医生的专业知识，可以进一步推动这一领域的发展，为疾病治疗和组织再生提供新的策略和方法。
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https://www.nature.com/articles/s44222-024-00234-w
来源：BioMed科技
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