什么是GelMA水凝胶？
甲基丙烯酰基明胶（GelMA）是一种源自明胶的光交联水凝胶，而明胶本身则是通过胶原蛋白的部分水解制得的，胶原蛋白是细胞外基质（ECM）的主要结构蛋白。 GelMA是通过明胶与甲基丙烯酸酐反应合成的，该反应在明胶的氨基酸残基上引入了甲基丙烯酰基官能团，同时保留了其大部分天然生物活性基序。这种改性使其在光照下能够发生共价交联，同时保留了明胶固有的生物相容性、酶降解性和细胞相互作用序列。 由于其水相可加工性、温和的交联条件以及与天然细胞外基质（ECM）在结构上的相似性，GelMA已成为生物工程和生物医学研究中广泛应用的生物材料。
GelMA水凝胶的主要特性
理化特性
GelMA水凝胶是通过在水溶性光引发剂存在下，经光照作用引发甲基丙烯酰基基团的自由基聚合而形成的。该过程在温和且与细胞相容的条件下，生成共价交联的网络结构。
主要理化特征包括：
- 交联机理：甲基丙烯酰基取代基的光引发自由基聚合。
- 可调节配方：GelMA浓度、甲基丙烯酸酯化程度、光引发剂含量和光照剂量可调节网络密度。
- 双重凝胶化行为：首先由明胶链在低温下发生物理凝胶化，随后通过光交联实现化学稳定化。
- 环境敏感性：温度、pH值和离子强度会影响预聚体的粘度及凝胶化动力学。
这些参数可对水凝胶的结构、孔隙率和稳定性进行精确控制。
力学性能
GelMA水凝胶的力学性能具有高度可调性，并与网络结构及交联密度直接相关。随着聚合物浓度和甲基丙烯酰基取代度的增加，弹性模量和刚度随之增大。相反，交联较松散的网络则表现出更大的顺应性和更高的吸水率。
机械特性包括：
- 柔软、类似组织般的弹性模量，范围从几千帕到几十千帕。
- 刚度与配方及光照条件密切相关。
- 随着网络结构的重塑，在酶降解过程中发生渐进式的机械软化。
这种适应性使GelMA水凝胶能够与各种软组织的力学性能相匹配。
生物相互作用
由于保留了明胶中的生化基序，GelMA本质上支持细胞与材料之间的相互作用。精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）序列可促进细胞粘附，而基质金属蛋白酶敏感域则能促进细胞介导的重塑。
生物学特征包括：
- 具有较高的细胞相容性和较低的免疫原性。
- 促进细胞粘附、铺展、增殖和迁移。
- 由细胞分泌的蛋白酶驱动的酶解降解性。
- 在光交联过程中与细胞包封的兼容性。
正是这些特性，使得GelMA特别适用于动态的、对细胞有响应的环境。
GelMA水凝胶的应用
组织工程
GelMA水凝胶被广泛用作软骨、骨骼、心肌、血管和骨骼肌等组织工程的支架。其可调的力学性能、可降解性和生物活性，使得能够构建出能够引导细胞排列、分化和组织成熟的基质。
3D细胞培养与疾病模型
在三维细胞培养中，GelMA 提供了一种模拟细胞外基质（ECM）的环境，有助于维持符合生理特征的细胞行为。它被广泛应用于类器官模型、微加工系统和芯片上的器官（Organ-on-Chip）平台，用于研究细胞-基质相互作用、力学生物学以及疾病进展。
药物、基因与细胞递送
GelMA水凝胶可作为药物、基因和治疗性细胞的递送载体。通过调控其网络结构，可以调节扩散和释放特性；而酶解作用则能实现局部化和细胞介导的有效载荷释放。
为何GelMA水凝胶的粘弹性如此重要
GelMA水凝胶表现出粘弹性行为，其特性比纯弹性材料更接近天然生物组织。粘弹性影响细胞感知微环境并作出反应的方式，进而影响细胞的粘附、迁移、分化以及基质重塑。 随时间变化的力学响应还决定了在动态生物环境中的载荷耗散、结构完整性以及长期性能。因此，理解和控制粘弹性特性对于预测体外行为和体内功能至关重要。
表征GelMA水凝胶粘弹性的方法
GelMA水凝胶的力学和粘弹性性能通常通过体流变测定、压缩试验和拉伸试验进行表征。这些技术为已完全形成的网络结构的弹性模量、储能模量和损耗模量以及失效行为提供了有价值的信息。 然而，传统方法通常需要直接接触、大变形或破坏性样品制备，且通常无法捕捉光交联过程中的快速力学变化。因此，这些方法并不适合监测光凝胶化动力学、确定液-凝胶相变点，或在无菌或含细胞条件下追踪早期力学演变。
案例研究：利用ElastoSens™ Bio对GelMA水凝胶进行力学表征
ElastoSens™ Bio：一种用于测量软凝胶MA水凝胶的无损检测工具
该 ElastoSens™ Bio 可对柔软、可光交联的GelMA水凝胶进行无损、实时的粘弹性特性测量。 通过采用低振幅、非接触式激发方式，并结合集成式光刺激模块，该技术能够直接监测光交联动力学过程、识别液-凝胶相变，并精确量化最终刚度。 在无菌条件下对同一样品进行重复测量，有助于开展关于 GelMA 形成、成熟、降解以及细胞驱动重塑的纵向研究。
为了展示ElastoSens™ Bio的功能，我们对基于GelMA的水凝胶进行了一系列测试。下一节概述了所采用的材料和方法，随后是测试结果，以此提供一个实例，展示该仪器能够对粘弹性特性进行随时间变化的无损监测。
材料与方法
按照制造商的说明制备了甲基丙烯酸酯化明胶（PhotoGel®，5272；Advanced BioMatrix）。 将苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基磷酸锂（LAP）以PBS为溶剂配制成17 mg/mL的母液，并按照制造商的规定将其加入到PhotoGel®配方中。 将 PhotoGel® 溶于 60 °C 的 PBS 中，配制成 5% 和 10%（w/v）的溶液。对于每种条件，将 2 mL 前体溶液分装到 ElastoSens™ Bio 宏观样品架中，并立即开始测量。 样品在 20 °C 下平衡 10 分钟（无光照）。随后，在 405 nm 光照下（强度为 8 mW/cm²）进行 20 分钟的光交联，同时在整个运行过程中每 5 秒记录一次粘弹性测量数据。
结果与讨论
将PhotoGel®浓度从5%提高到10%（w/v）导致最终剪切储能模量（G′）增加，从5398 ± 106 Pa上升至39 437 ± 1251 Pa (***p< 0.001)。与此同时， 在较高浓度下，最大凝胶化速率显著增加，从5%时的23.2 ± 13.3 Pa/s升至10%时的145.9 ± 24.6 Pa/s（**p< 0.01），表明在相同光固化条件下，网络形成速度明显加快。 随着 PhotoGel® 浓度的增加，起胶时间也显著缩短，从 5% 时的 11.35 ± 0.04 分钟降至 10% 时的 5.36 ± 0.34 分钟（***p< 0.001），表明凝胶化起始时间更早。
G′对浓度的强烈依赖性反映了聚合物含量的增加以及光交联基团可用性的提高。 在10% PhotoGel®浓度下，引发时间的缩短和凝胶化速度的提高表明，更高的聚合物浓度不仅能增强最终的网络结构，还能加速光聚合的起始和进行。综合来看，这些结果表明PhotoGel®的浓度会影响凝胶化动力学和最终的力学性能。
图1。 5%和10%（w/v）PhotoGel®在405 nm光固化条件下的最终剪切储能模量（G′，左）、起胶时间（中，min）和最大凝胶化速率（右；Pa/s）的对比。 平均值 ± 标准差（n = 3）。**p< 0.01，***p< 0.001。
图2。 在ElastoSens™ Bio中完成光交联后的PhotoGel®。
结论与展望
GelMA水凝胶的力学行为——受光交联动力学、网络密度和随时间变化的粘弹性影响——是决定其生物性能和功能表现的关键因素。 作为柔软、水合且对光敏感的材料，GelMA体系需要采用能够在不改变网络结构或实验条件的情况下，准确捕捉其力学演变特征的表征方法。
利用 ElastoSens™ Bio 进行无损粘弹性表征，可实现：
- 对GelMA凝胶化动力学进行灵敏且可重复的测量。
- 在光交联过程中对液-凝胶相变进行实时识别。
- 在与实际应用相关的条件下对最终刚度进行定量分析。
- 对同一样本进行纵向监测，以评估其成熟或降解情况。
- 利用集成光刺激模块进行无菌且受光照控制的测量。
这些能力相结合，有助于更深入地了解结构与性能之间的关系，提高实验的可重复性，并使GelMA水凝胶在生物制造、组织工程和生物医学应用领域中的转化更加可靠。
参考文献
Yue, K., Trujillo-de Santiago, G., Alvarez, M. M., Tamayol, A., Annabi, N., & Khademhosseini, A. (2015). Synthesis, properties, and biomedical applications of gelatin methacryloyl (GelMA) hydrogels. Biomaterials, 73, 254-271.
Bupphathong, S., Quiroz, C., Huang, W., Chung, P. F., Tao, H. Y., & Lin, C. H. (2022). Gelatin methacrylate hydrogel for tissue engineering applications—a review on material modifications. Pharmaceuticals, 15(2), 171.
Das, S., Jegadeesan, J. T., & Basu, B. (2024). Gelatin methacryloyl (GelMA)-based biomaterial inks: process science for 3D/4D printing and current status. Biomacromolecules, 25(4), 2156-2221.
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