近日，土建学院刘沐宇教授团队成员刘齐民副教授与新加坡国立大学Andy Tay教授课题组合作，在基于磁性水凝胶的细胞动态激励和药物控释研究方面取得创新性进展，成果以“Mechano-responsive hydrogel for direct stem cell manufacturing to therapy”为题，发表在Bioactive materials（IF：18.9)，以“Mechano-activated cell therapy for accelerated diabetic wound healing”为题，发表在Advanced materials（IF：29.4）。

骨髓间充质干细胞是在骨组织中发现的多能干细胞，在组织再生和免疫调节中起着关键作用。在特定的生化或机械刺激下，间充质干细胞可以增殖并分化成各种间充质/中胚层细胞系，有利于组织修复和再生。近年来，干细胞治疗技术已经成为国内外医学领域的热点。然而，现阶段干细胞治疗面临较大的挑战，例如：干细胞的力学激励很难在生物体内实现，细胞在输运过程中的活性和生物功能难以保证。

针对此问题，新加坡国立大学Andy Tay教授课题组与武汉理工大学土建学院刘齐民副教授合作开发了一种基于磁性水凝胶的三维细胞动态力学激励平台，研究了基质内细胞在不同外磁场作用下的变形、分化、增殖等行为。基于非平衡热力学原理，建立了磁性水凝胶磁-力耦合大变形理论，通过数值计算，获得了外界磁场大小、磁铁-凝胶距离、凝胶尺寸与凝胶变形间的定量关系，分析了凝胶内部磁力动态变化规律。结果表明：磁性水凝胶可以提供合适的力学微环境促进细胞生长。

图1.基于磁性水凝胶的三维细胞动态力学激励平台.

图2.不同凝胶-磁铁距离下凝胶内部的磁力分布.

该研究工作发表于Bioactive materials，新加坡国立大学博士Yufeng Shou，Ling Liu， 武汉理工大学刘齐民副教授为论文共同第一作者，Andy Tay教授为论文通讯作者。论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X22005072#mmc1

在上述工作的基础上，课题组研发了基于磁性水凝胶的药物控释以及力学激励系统，利用水凝胶材料包裹胰岛素药物，控制外界磁铁的往复运动，调节磁力大小，达到远程、非接触式控制药物释放的目的，同时磁力引起的水凝胶网络变形为细胞分化增殖创造了一个理想的力学微环境，极大地促进糖尿病伤口的愈合。此外，考虑到磁性水凝胶磁化、水分子扩散以及凝胶大变形耦合过程，基于质量和动量守恒定律以及非平衡热力学原理，建立了磁性水凝胶磁-化-力耦合模型，研究了外界磁场作用下磁性水凝胶的动态变形以及药物浓度时空分布规律。

图3. 基于磁性水凝胶的药物控释以及力激励系统用于糖尿病伤口治疗.

图4.不同凝胶-磁铁距离下凝胶变形；磁场作用或无磁场条件下药物浓度分布.

该研究工作发表于Advanced materials，Andy Tay教授为论文通讯作者，刘齐民副教授为论文合作者。论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202304638.

【作者简介】刘齐民，土建学院道桥系副教授，2019年新加坡南洋理工大学博士毕业，从事多孔介质（混凝土、岩土、凝胶等）材料/结构多场（磁、电、化、力）耦合、多尺度（微、细、宏）建模及数值方法研究。近五年在Nature Communications, Bioactive Materials, Advanced Materials, Energy, Mechanical System and Signal Processing，International Journal of Solids and Structures, International Journal of Mechanical Sciences等高水平期刊发表30余篇学术论文，撰写Elsevier英文专著1章，申请发明专利4项，授权1项。

供稿：康俊涛

审核：罗  忆

编审：陈安荠