动态水凝胶基细胞仿生模型在化学信息长程传导中的创新研究与应用

这篇综述创新性地构建了毫米级动态腔状水凝胶基细胞仿生模型，通过封装葡萄糖氧化酶（Gox）、过氧化氢酶（Cat）和辣根过氧化物酶（HRP），系统研究了超长距离下化学信息传导的邻近效应与反馈机制。研究揭示了单腔水凝胶内双酶级联反应效率比分离腔体高30.6%，并建立闭环系统验证了溶解氧循环（Closed System I）与消耗（Closed System II）的差异化调控能力，为生物传感和可控递送提供了新范式。

　　

摘要

研究团队通过一步法将葡萄糖氧化酶（Gox）、过氧化氢酶（Cat）和辣根过氧化物酶（HRP）封装于毫米级聚丙烯酰胺（PAAm）或聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）动态腔状水凝胶中，构建细胞仿生模型。实验发现，单腔水凝胶内Gox-Cat级联反应的效率比分离腔体高30.6%，证实了邻近效应对长程化学通讯的显著影响。通过设计两个闭环系统，首次在毫米尺度验证了溶解氧的循环调控能力：Closed System I（Gox-Cat）在160分钟内稳定66.7%溶解氧，而Closed System II（Gox-HRP）因无法循环氧分子导致溶解氧保留量低14.5%。

1 引言

自1957年人工细胞概念提出以来，微纳米级仿生模型在催化、粘附和区室化研究中取得进展，但大尺度化学信息传导机制尚不明确。本研究突破传统尺度限制，利用水凝胶的三维支架特性模拟细胞外基质，通过动态共价键和金属配位键形成具有温度响应性的腔体结构。经典酶体系Gox-HRP-Cat被选为模型，其级联反应中产物即底物的特性（如Gox产生的H₂O₂被Cat或HRP消耗）可模拟细胞间信号传递。

2 结果与讨论

2.1 凝胶酶的制备与表征

通过蓝光引发聚合和铁离子配位交联，成功制备尺寸可控的腔状水凝胶（PNIPAm基4×4×2.7 mm，PAAm基6×6×4 mm）。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）显示1600-1700 cm^?1处酰胺I带振动峰增强，证实酶的成功负载。扫描电镜显示腔体内部分布微米级孔道，而外部致密壳层可保护酶免于失活。

2.2 酶分布与生物催化活性

罗丹明B标记实验表明，随着酶负载量从0.4增至6.4 mg/mL，Gox在腔体外周富集（荧光强度中心区下降17.2→13.9 AU，外周区上升14.6→32.1 AU）。生物活性分析显示，PNIPAm-Gox相对活性最高（180%→35.6%），而PAAm-Cat因质量传递限制活性仅剩3.7%。

2.3 PNIPAm-Gox的催化特性

在5 mM葡萄糖溶液中，PNIPAm-Gox1.6和3.2可实现近100%底物转化。循环实验表明，低酶载量（0.4 mg/mL）的凝胶经5次使用后活性无衰减，而高载量（6.4 mg/mL）样品活性下降23.9%，归因于酶聚集导致的传质效率降低。

2.4 单腔与双腔级联反应差异

单腔PNIPAm-Gox-Cat体系在Cat/Gox负载比为1时H₂O₂产量最低（1.14 mM），而双腔PNIPAm-Gox/PAAm-Cat体系因需跨腔扩散使效率降低30.6%。当葡萄糖浓度升至10 mM时，PAAm-Gox3.2/Cat3.2的H₂O₂消耗量比低载量体系高0.45 mM，表明高底物浓度加剧传质限制。

2.5 闭环系统性能比较

Closed System I通过Cat再生氧气实现溶解氧动态平衡（160分钟消耗33.3%），pH从6.8升至9.2反映H₂O₂高效分解；Closed System II因HRP消耗氧气导致溶解氧完全耗尽，TMB显色反应需270分钟达峰值。温度响应实验显示，35°C时PNIPAm收缩使Closed System I溶解氧突增，而Closed System II因网络收缩导致效率降低46.9%。

3 结论

该研究为毫米级人工细胞间化学通讯提供了新见解，证明邻近效应在超长距离传导中可忽略。动态水凝胶的温控腔体特性与酶级联设计相结合，在生物传感和智能递送领域展现出应用潜力。未来需进一步探究凝胶尺寸缩小对催化效率的影响及其他酶体系的适用性。

4 实验方法

采用蓝光引发聚合（LAP引发剂，8 W/cm^?2）制备水凝胶，通过铁离子配位（0.1 M FeCl₃，30秒）稳定腔体结构。生物活性通过钛氧硫酸盐法（检测H₂O₂，λ=407 nm）和溶解氧电极测定，数据拟合采用米氏方程和剂量效应模型。