细胞外基质作为细胞居住的场所,能结合多种生长因子,给细胞提供众多生物信号并调控细胞的行为。因此,细胞外基质对细胞的基本生理活动、组织器官形态的发生以及维持成体结构与功能完善等生命活动具有重要的意义。目前,自组装、相分离、电纺丝、化学交联等多种方法被用来体外构建和模拟天然细胞外基质的功能。基于DNA的可设计和动态可逆的性质,本文利用DNA超分子水凝胶体系构建了生物响应性的细胞微环境,并探究其在神经干细胞分化、脊髓损伤修复、肿瘤免疫治疗三方面的生物医学应用。首先,基于DNA理性化设计,在保持化学组成及网络拓扑结构相同的情况下,我们利用调换粘性末端碱基的相对位置形成错配的策略,DNA超分子水凝胶的力学强度实现了从118 Pa到1040 Pa精确调控。将DNA超分子水凝胶用于三维培养神经干细胞,表现出良好的生物相容性;通过优化实验条件,在力学强度分别为118 Pa和1040 Pa的DNA水凝胶中,神经干细胞分化为不同比例的神经元和少突胶质细胞类型。因而,我们证明了材料的力学信号可以调控神经干细胞分化的方向。其次,本文构建了大鼠脊髓全横断损伤模型,将DNA水凝胶与神经干细胞的复合物移植到损伤部位,利用运动学评分、神经电生理、免疫组化以及基因水平等方法研究对脊髓修复的影响。实验表明,DNA水凝胶能够抑制炎症因子和凋亡因子的分泌,促进神经功能相关基因的表达,改善了损伤部位的微环境。因而,DNA水凝胶能够有效促进神经元的再生和大鼠运动功能的恢复。最后,本文成功地构建了可注射的DNA超分子水凝胶疫苗体系。利用DNA的静电相互作用,多肽疫苗和CpG免疫刺激剂可均匀有效地负载在DNA水凝胶网络中。实验证明,将组装的水凝胶疫苗皮下或腹腔注射到小鼠体内,DNA水凝胶疫苗能够招募和活化巨噬细胞并产生强烈的免疫反应,荷瘤小鼠的肿瘤得到显著地抑制并延长了小鼠的存活时间。综上所述,本文利用自组装的方法构建和模拟了天然细胞微环境的功能,这类DNA超分子水凝胶体系预期为生物医学应用提供新的研究平台。