近日，
广州医科大学
唐国胜、余细勇
与
四川大学
罗泽宇
以及
哈佛医学院
Jie Guo
等合作，联合发表了题为
《
3D Biofabrication of Microporous Hydrogels for Tissue Engineering
》
的综述文章，刊登于
《
Advanced Healthcare Materials
》
期刊。
文章深入探讨了微孔水凝胶在组织工程中的应用，特别是在细胞载体方面的潜力。微孔水凝胶因其独特的结构能够为细胞提供理想的生长空间，促进细胞的迁移、分化和组织的再生。研究团队以水凝胶可注射性分为可注射的微孔水凝胶和非注射的微孔水凝胶，以此介绍了冷冻干燥法、两相牺牲策略、3D生物打印技术和微凝胶组装技术。这些技术使微孔水凝胶在骨、神经、血管和肌肉再生等方面具有广泛的应用前景
。此外，尽管微孔水凝胶在组织工程中的应用取得了显著进展，但仍面临一系列挑战，如力学性能有待提高以及生物相容性有待改善等问题。文章总结了微孔水凝胶在组织工程和再生医学领域的巨大潜力，并展望了未来的发展方向。
图1. 微孔水凝胶的发展。
冷冻干燥法是一种应用广泛的微孔水凝胶的制备策略，可以应用于大多数水凝胶材料，能够直接有效地构建出联通的微孔结构（图2）。通过调整冻干过程中溶液参数可以在特定范围内精确控制孔隙的大小和分布，形成定向微孔结构，有利于多种细胞的生长。
图2. 冷冻干燥法制备微孔水凝胶。
相比传统生物相容性较低的水/油双相制备多孔策略，本文总结三种利用双相制备高生物相容性的多孔水凝胶的策略：双水相策略（液液双相）、微粒牺牲策略（液固双相）和气泡牺牲策略（液气双相）(图3-5)。
图3. 通过双水相策略制备微孔水凝胶。
图4. 通过微粒牺牲策略制备微孔水凝胶。
图5. 通过气泡牺牲策略制备微孔水凝胶。
采用3D打印技术来制造由水凝胶生物墨水组成的复杂结构，这项技术有助于对设计和制造过程的精确控制，能够创建复杂的支架和相互连通的孔，模拟组织样结构。尽管基于3D生物打印技术的微孔水凝胶还处于起步阶段，但它已经取得了重大进展，有望解决组织和器官替代治疗的挑战。本文深入对三维生物制造进行了全面探讨。（图6）。
图6. 通过三维生物制造法制备微孔水凝胶。
除块状微孔水凝胶外，三维微凝胶堆积所形成的间隙空隙也展示了显著的微孔水凝胶支架特性，进而构建了高度互联的微孔结构。颗粒水凝胶的剪切稀释特性使其具备良好的可注射性，能够便捷地注射到体内的目标区域，因此在组织愈合等微创手术中的局部组织工程应用中具有重要潜力。通过使用交联剂和特定的聚合物组合，可以在微凝胶模型中构建微凝胶之间相互连接的孔隙网络，这使得颗粒水凝胶在3D打印领域的应用成为可能。因此，微凝胶形式的颗粒水凝胶作为一种多功能生物材料，在组织工程领域具有广阔的生物医学应用前景。（图7）
图7. 颗粒状微孔水凝胶的制备。
此外，本文还进一步探讨了利用点击化学、MXene材料以及DNA辅助构建微孔水凝胶的方法。研究表明，这些制备方法能够赋予微孔水凝胶动态特性，通过在分子多孔网络中引入特定的蛋白质或结合位点，促进细胞的粘附与生长。这一特性使得微孔水凝胶能够优化细胞增殖、粘附和分化的微环境，从而有效促进细胞移植和组织再生。（图8）
图8. 制备微孔水凝胶的其他方法。
在组织工程中，将细胞融入微孔水凝胶是一种常见的细胞治疗策略，能够有效解决受损微环境中细胞低驻留率和低存活率的问题。微孔水凝胶在生物医学领域具有显著优势，主要得益于其良好的生物相容性，能够减少受伤部位的二次损伤。因此，微孔水凝胶常被作为组织工程的生物材料，为细胞的生长和增殖提供理想的环境。其孔隙结构有助于营养物质的交换和细胞的迁移，同时在制备过程中可以自主调节孔径和形状，进一步促进细胞的增殖和分化。本文将进一步探讨微孔结构在不同组织修复中的作用和意义，并提出定向微孔结构在细胞生长、铺展和组织修复中的关键作用。
由于微孔水凝胶与骨组织具有相似的微孔特性，因此微孔水凝胶已被广泛应用于骨组织修复。微孔结构不仅符合骨组织的结构特点，还为细胞的生长、分化和增殖提供了有利的平台（图9）。随着骨修复研究的不断推进，关于微孔水凝胶的结构和用途也有了更多的进展。例如，具有一定硬度的微孔水凝胶能够有效模拟骨组织的力学性能；而具有径向梯度结构的微孔水凝胶则更精确地模拟了骨组织的复杂结构。
图9. 装载细胞微孔水凝胶用于骨再生。
微孔水凝胶由于具有可调节的多孔结构和高孔隙率，因此也可作为肌细胞的载体，在体内提供机械强度和一定程度的变形能力，从而为肌细胞再生过程中重建三维结构提供了平台。各向异性的微孔结构促进了肌纤维在正确方向上的聚集和对齐，从而为细胞和组织的发育提供了必要的机械和物理支撑。（图10）
图10. 负载细胞的微孔水凝胶用于肌肉再生。
神经纤维的近端和远端具有明显的间隙，而微孔水凝胶具有的三维贯通网络刚好能够满足神经纤维的生长因而成为神经修复的有效平台。值得注意的是，微凝胶颗粒支架中的间隙也可以提供良好的神经修复平台。（图11）
图11. 负载细胞的微孔水凝胶用于神经再生。
微孔水凝胶的微孔特性能够有效模拟软组织中细胞外基质的复杂结构，为细胞的附着、生长和增殖提供了理想的微环境。这样的环境不仅支持血管生成和新血管的形成，而且有助于促进对组织再生至关重要的各类细胞的迁移与增殖。微孔水凝胶的理化性质使其成为构建精准模拟组织自然环境的理想支架材料，从而推动了再生医学领域的发展。其优异的生物相容性和可调节的结构特性，使得微孔水凝胶在组织工程和再生医学中具有广泛的应用前景。（图12）
图12. 负载细胞的微孔水凝胶用于血管化。
此外，本综述还探讨了微孔水凝胶在生物医学领域其他方面的应用。通过调整其结构并精确控制负载细胞或因子，微孔水凝胶可用于不同器官和组织的修复与重建。载细胞的微孔水凝胶为模拟人体内部环境提供了一个复杂的平台，使研究人员能够更深入地了解细胞的行为和功能。此外，微孔水凝胶能够调节细胞分泌活性物质的进出，促进持续的分泌。更重要的是，这种微孔结构不会对封装细胞施加明显的限制，不影响细胞的生物活性和功能，为多种生物医学应用场景提供了理想的载体。（图13）
