在自然界中，从受精卵的增殖到组织器官的形成，其本质上是细胞的自组织（self-organization）过程，而细胞在自组织的过程中离不开细胞外基质环境，细胞与基质材料的相互作用始终贯穿整个生命体发育全过程。为了模拟上述过程或者研究上述过程中微观上的病理或药理机制，研究者近年常利用水凝胶材料来作为细胞外基质的支架（Scaffold）材料。
水凝胶（Hydrogel）是一类极为亲水的三维网络结构凝胶，它在水中迅速溶胀并在此溶胀状态可以保持大量体积的水而不溶解。水凝胶可以溶胀和保有大量的水，水的吸收量与交联度密切相关。交联度越高，吸水量越低。这一特性很像软组织的特点。水凝胶中的水含量可以低到百分之几，也可以高达99%。
细胞在3D水凝胶基质中的自组织过程与凝胶本身的性质密切相关，所以有必要研究在具有不同性质的均匀凝胶中，细胞的3D结构随时间的变化情况，即4D细胞培养。本lab将透明质酸进行功能团修饰，在透明质酸大分子上对羧基进行酰胺化修饰，并将特定的肽链接枝到经过修饰的位点上，其中黏附肽链可实现细胞贴附于透明质酸大分子之上，而交联肽链则促使凝胶前体形成具有一定刚度的三维培养基质，参见图1a。
为了进一步探索和理解不同特性凝胶中的4D细胞培养，需要开展细胞在改性透明质酸水凝胶中连续长时间的自组织生长试验。在凝胶中的细胞4D自组装（通常指在时间维度上可控的3D自组装）成形的研究内容包括两个方面：1）通过合理控制凝胶前体溶液中各成分的比例、细胞浓度，以及交联程度等实现对细胞培养,并记录上述参数对细胞行为的影响；2）研究自组装形成的3D多细胞结构随着时间的变化，并对不同时刻的多细胞或组织结构进行成像与分析，这种组织微结构4D制造的基本过程参见图1b。此时，需要在不同时刻点观测细胞的个体形态以及群体结构形态。
图 1 典型水凝胶材料的微观结构及其在细胞3D自组织过程中的应用
本lab在此方面的相关论文简介如下：
(1)Directing three-dimensional multicellular morphogenesis by self-organization of vascular mesenchymal cells in hyaluronic acid hydrogels，Journal of Biological Engineering, 2017.本研究设计和构建了整合黏附分子和交联分子的3D透明质酸水凝胶体系，实现了对于间充质干细胞黏附和生长控制，并进一步实现了自组装形成特定三维多细胞结构的调控，得到了聚团球状和分支状多细胞组装体（组织微结构），并同时提出了图灵反应-扩散框架下的细胞在水凝胶3D基质中的自组装动力学仿真模型。本文被领域内专业刊物ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS (16.8/Q1, Top，德国Carsten Werner课题组), Biomaterials（Q1,Top, IF10.3，韩国Heungsoo Shin课题组）, Biomaterials(美国Kevin E. Healy课题组)所引用，主要引证了本文构建的整合黏附分子和交联分子的3D凝胶体系对于细胞黏附和生长的有效性以及自组装三维结构形貌方调控方法，认为其能够利于细胞的迁移，增殖和血管化，亦得到了与本文类似的球状或者分支状活细胞组装体，并由此讨论了内在的共性机制；被Trends in Biotechnology（14.3/Q1,Top, Cell Press，意大利Ferruccio Pisanello课题组）引用，主要引用了本文的3D成像的技术思路；被期刊TISSUE ENGINEERING PART A （3.7/Q2，荷兰Vanessa L.S. LaPointe课题组），Advanced Healthcare Materials（5.6/Q1 ，美国J. H. Slater课题组），ACS Biomaterials Science & Engineering, 2019（美国Sanjay Kumar课题组），Polymers 11: 2019（Pratap Bahadur课题组），加拿大Patrick Vermette实验室的博士学位论文所引用，其主要结合本文和与本文结果一致的其他文献共同阐明了本论文中的透明质酸凝胶材料对细胞自组装过程的调节作用。2022年，被期刊综述论文International Journal of Molecular Sciences, 2022, 23(5): 2662引用，以较大篇幅（大于100单词）介绍了本文中构建HA凝胶的特点及其对细胞自组织的影响，以及所添加因子对微组织结构形成的影响规律等方面的结论。
(2) Three dimensional tubular structure self-assembled by vascular mesenchymal cells at stiffness interfaces of hydrogels, 2016. 在前述均匀凝胶结构的基础上，进行复杂凝胶结构（含界面或梯度的结构）的研究。本研究揭示了透明质酸凝胶刚度界面对空心管状3D多细胞结构可控自组装形成的重要作用。其对于生物制造及再生医学中的空心管状组织的自组装式新型微制造方法奠定了基础。本文被瑞士Daniel Eberli课题组发表于专业期刊Expert Opinion on Biological Therapy（Q2/3.7）的论文所引用；被Wen-Ming Wan课题组发表于Macromolecular Rapid Communications（Q1,IF 4.8）所引用；被Manigandan, A 等发表于CELLS TISSUES ORGANS的论文引用，主要引用并认同了本文所采用的凝胶材料的有效性。
(3) Characterization and Analysis of Collective Cellular Behaviors in 3D Dextran Hydrogels with Homogenous and Clustered RGD Compositions. Materials, 2019. 本研究提出了具有局部成簇聚集RGD肽链的三维凝胶设计、构建及试验思路，构建了具有局部簇状聚集结构成分的凝胶以使得凝胶内某一成分的浓度在微观局部具有微小梯度化特征，具体而言，分别将高密度小分子和低密度小分子接枝于聚合物分子链之上，而后将两者混合，于是得到分散于凝胶内的小分子(RGD肽)的微观局部非均匀分布。这些小分子密度在微观位置处成梯度化分布，会使得成肌干细胞与凝胶材料间的相互作用应力的空间分布发生改变，这是实现对细胞3D自组装过程调控的一种重要且灵活的途径。本文被本领域内专业期刊Materials Science and Engineering C 118(1):111477 （Q1/5.8），Biomacromolecules 21(10)（Q1/6.1）和 International Journal of Biological Macromolecules（6.953/Q1）引用，主要正面引用了本文细胞与基质黏附的作用规律及其对肌动蛋白应力纤维的影响方面的研究成果；另外，发表于期刊Pharmaceutics的引文引用了本文中关于黏附分子密度过高会阻滞细胞活动的结果，并评述本文结果与他们的结果一致；发表于期刊Theriogenology的引文引用了本文中黏附分子所起到的连接作用。
(4) Study on a 3D Hydrogel-Based Culture Model for Characterizing Growth of Fibroblasts under Viral Infection and Drug Treatment, 2017. 被领域内专业期刊Theranostics 10(16):7034-7052 （8.57/Q1）,Cancer Discovery(29.49/Q1), Frontiers in Materials(2.7/Q2)，SLAS DISCOVERY等期刊论文引用，正面引用了本文所提出了3D细胞生长模型构建方法和用于化学物质筛选的功效，并阐述了一致的研究结果。2022年被期刊Smart Materials in Medicine上的论文引用并评价本文“所设计制造的模拟细胞外基质材料能够调节细胞行为”；被期刊biomimetics上的论文引用，评价本文的工作“提供了一种深入研究病毒体在感染细胞前通过细胞外基质时的行为机制的方法”。