生物体中大多数细胞会与细胞外基质（ECM）不断地发生相互作用：细胞不断改造重塑其周围的ECM，同时ECM的生化和物理特性也调节着细胞在3D空间中的各种活动，这些事件伴随着时间和空间的变化而进行，因此也被称为4D生物学。不断发生变化和适应的动态结构特征是组织和器官中ECM的普遍特征，例如粘弹性。许多软组织和器官，如大脑、肝、和脂肪组织，都表现出包括应力松弛、蠕变和滞后在内的粘弹性行为。从微观动力学角度来看，不同聚合物链之间的瞬时破坏与相互作用的重建，使基质重组并产生这种粘弹性行为，这些动态特性允许ECM响应和存储/释放细胞产生的牵引力并将外力传递给细胞。随后细胞感知并响应其动态环境以实现正常的细胞功能，包括粘附、迁移、增值、分化和凋亡等，这些过程对于胚胎形态发生、伤口愈合、组织再生和肿瘤转移等生理和病理过程是至关重要的。
水凝胶是由大分子构成的高度水合聚合物网络，由于其能够模拟天然组织的诸多性质，因此在生物医学基础和转化的研究中受到广泛的
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