综述：基于水凝胶的胃肠道实验模型

《Microbiome》：Hydrogel-based experimental models of the gastrointestinal tract

本综述系统探讨了水凝胶模型在肠道微生物研究中的革新潜力。这些三维、可调控的系统通过模拟胃肠道（GI）的关键物理化学特征（如pH梯度、氧分压pO2），成功填补了传统体外悬浮培养与复杂体内环境间的鸿沟。文章详细评述了各类水凝胶（如藻酸盐、明胶甲基丙烯酰胺GelMA）在支持黏膜相关微生物（如Akkermansia muciniphila）生长、构建宿主-微生物共培养模型及研究空间生态（如生物膜形成、群落通讯）中的应用，为理解微生物在生理和疾病状态下的适应机制提供了强大工具，并展望了其在精准医疗和靶向治疗开发中的深远意义。

　　

引言

肠道微生物组存在于一个高度动态和复杂的环境中。pH波动、流体动力学、营养可用性以及微生物间相互作用等关键因素共同塑造了胃肠道（GI）内的多样化生态系统。这些参数在疾病状态下会发生显著变化，挑战微生物的稳定性，并要求 resident 微生物采取适应性策略。尽管人们对微生物组在健康与疾病中的作用日益关注，但我们对塑造微生物功能的原生生物物理和生化环境的理解仍然有限。

传统的悬浮培养与复杂的体内环境之间存在巨大差距，而基于水凝胶的实验模型正在通过桥接这一差距来革新微生物组研究。这些先进系统复制了胃肠道的物理和生化特征，为研究三维、可调控结构中的微生物行为、适应和相互作用提供了前所未有的机会。

胃肠道的物理化学景观

胃肠道拥有多样的微生物生态位，其形状受到流变学、流体动力学、化学组成、pH、含水量和微生物群落结构相互交织的轴向和径向梯度的影响。这些梯度影响了整个管腔和黏膜的微生物定植和活性，并进一步受到饮食和疾病等因素的调节。

从轴向看，管道从酸性且富含酶的近端区域过渡到更具缓冲能力、发酵活跃的远端环境。从径向看，氧气、黏蛋白结构、pH和微生物密度在上皮和管腔之间发生剧烈变化。黏液是一种内源性水凝胶，既提供了保护屏障（内层），也提供了一个专门的微生物生态位（外层）。它主要由水和大型糖蛋白（尤其是MUC2）以及蛋白质、脂质和DNA组成。这些成分决定了黏液的粘度和扩散行为，这些特性也沿着肠道变化，近端更薄且更有弹性，远端更厚且更多孔。

健康的胃肠道稳态很容易被扰乱，定义“基线”肠道条件变得越来越难以捉摸。调节剂可分为四类：(i) 疾病相关，(ii) 生活方式相关，(iii) 饮食相关，以及 (iv) 内源性个体间变异。膳食和饮食可以改变胃pH、液体渗透压、表面张力和含水量，而纤维可以重塑食糜的流变学和流动。生活方式因素，如运动、睡眠和酒精，影响蠕动和传输时间。年龄和疾病如克罗恩病、帕金森病、溃疡性结肠炎和囊性纤维化与黏液特性、pH分布或蠕动模式的改变有关。黏蛋白表达、糖基化和厚度也可以在压力、炎症或通过微生物相互作用下发生改变。这些变化存在于人群内此类参数的预先存在的内源性变异之上。

黏膜微生物群，与管腔群落不同，包括诸如Akkermansia、Bacteroides、Ruminococcus和Mucispirillum等类群，它们代谢宿主黏蛋白。微生物密度通常向上皮方向递减，甚至黏液组成的细微变化也能 drastically 影响定植模式。值得注意的是，管腔和黏膜微生物对物理化学线索的反应并非仅仅是被动的；细菌也能调节肠道流变学、pH和化学梯度，通过复杂的相互作用影响宿主环境和随后的微生物丰度。

用于微生物培养的水凝胶基质

多种聚合物可用于水凝胶制备，每种都有独特的优势和局限性。在为微生物培养设计水凝胶时，某些特性尤为重要：(i) 生物相容性，(ii) 抵抗微生物降解和代谢的能力，以及 (iii) 在生理条件下维持凝胶状态的能力。其他考虑包括从水凝胶基质中提取活菌的能力、调节pH、支持营养流动和控制流变学。

水凝胶通常分为三种主要类型：生物来源的、合成的和复合的水凝胶。生物来源的水凝胶，如藻酸盐或明胶，来源于天然材料，通常具有优异的生物相容性。然而，它们可能存在机械强度弱和批次间差异的问题。合成水凝胶，包括聚乙二醇（PEG）和聚丙烯酰胺，提供对刚度和降解速率的精确控制，但通常缺乏天然聚合物的固有生物活性。复合水凝胶结合了两种类别的元素，使用合成和/或天然交联剂来增强其多功能性和功能性。

琼脂糖和藻酸盐

琼脂糖是最常用的生物来源交联剂之一，其应用范围从DNA分离到专门的3D微生物培养，尽管琼脂或phytagel在传统平板培养中更为常见。低熔点琼脂糖对于微生物封装特别有利，因为它在37°C的温度下保持液态，使得能够在生理温度下封装细菌。然而，从琼脂糖中回收活细菌具有挑战性。通常，必须通过在37°C以上的温度下熔化琼脂糖来提取生物质，这会损害生物样品。

离子交联的藻酸盐和钙水凝胶广泛用于活微生物培养。尽管对离子螯合剂、pH变化敏感且脆性大，这在长期培养中构成挑战，但藻酸盐水凝胶因其简单性和关键优势而受到青睐。它们比基于自由基或光交联的水凝胶（例如，PEG和其他合成材料）更容易处理。凝胶化可以通过选择二价离子供体和环境条件来精细调节，甚至可以用紫外光交联。掺入葡萄糖酸-δ-内酯允许Ca²⁺的逐渐释放，促进藻酸盐凝胶在中性pH下的均匀交联。虽然藻酸盐通常被认为是生物惰性材料，但复杂的微生物组可以降解藻酸盐骨架，损害长期稳定性，尤其是在海洋来源的微生物和人类GI分离株中。在肠道微生物组研究中，特别是那些模拟黏液层的，藻酸盐凝胶可能不太相关，因为需要长期接种才能获得稳定的群落。藻酸盐水凝胶的一个独特特征是其通过钙离子清除螯合剂如柠檬酸钠和EDTA在生理pH和温度下有效降解，允许在实验后回收活微生物。这已被应用于铺板分解的基质并回收活细胞计数。此外，基于藻酸盐的凝胶被广泛用于模拟黏膜层，据报道能相当准确地再现GI黏膜的几个关键特性，包括流变学。

其他生物来源材料

其他几种生物来源聚合物已被探索用于微生物封装，每种都有依赖于应用的优缺点。其中，甲基丙烯酸酯化明胶（GelMA）和胶原蛋白，因其模拟人体细胞外基质的能力而闻名，使其在人类细胞培养中更有用，但在微生物系统中较少使用。GelMA因其生物活性的细胞外基质样特性而受到重视，能促进细胞增殖和铺展。虽然这些特性在非宿主相关环境（例如，黏膜或管腔空间）中的微生物不太相关，但GelMA通过暴露于光快速交联（约1-10分钟）使其在特定的3D微生物培养背景下具有吸引力。

与聚多巴胺交联的黄原胶已成为藻酸盐等聚合物的 robust 替代品。基于黄原胶的水凝胶表现出强大的机械稳定性、宽pH耐受性，并支持长期培养微生物，如Bacillus thuringiensis和Planococcus sp.。这些系统维持微生物封装和代谢活性，使黄原胶适用于需要延长稳定性的应用。

与藻酸盐相比，黄原胶提供 superior 化学稳定性和对阳离子和阴离子分子的双重吸附能力，使其能够在 diverse 环境条件下发挥功能。虽然藻酸盐对离子螯合剂的敏感性限制了其使用，但黄原胶的稳健性适合生物技术和环境应用。与GelMA和胶原蛋白不同，后者模拟人类细胞培养中的细胞外基质，黄原胶优先考虑机械和化学稳定性，使其成为微生物系统的更实用选择。

合成聚合物和复合材料

多种合成聚合物用于封装活微生物，包括聚丙烯酰胺、聚乙二醇基分子、聚乙烯醇和Pluronic F127，后者具有疏水性聚（环氧丙烷）核心和亲水性聚（环氧乙烷）链的三嵌段共聚物。这些合成水凝胶主要用于模拟GI环境不是主要目标的情况，促进在传统悬浮或平板培养中具有挑战性的测定或生产方法。

GI研究中的一个有前途的前沿涉及用于微生物培养的新颖、未充分探索的材料。例如，Han等人（2022）使用去细胞化的结肠细胞外基质来共培养肠道微生物。虽然有前途，但此类材料可能无法完全复制原生GI微环境，因为体内的微生物通常通过黏液层与上皮细胞分离。其他方法使用黏蛋白作为水凝胶的聚合物骨架。例如，Duffy等人（2015）开发了一种由甲基丙烯酸化牛颌下黏蛋白形成的光交联凝胶，通过暴露于365 nm紫外光10分钟形成。同时，Joyner等人（2019）使用基于PEG-巯基的交联剂与二硫键用于猪胃黏蛋白凝胶，模拟原生黏液样流变学。两种方法都未经过广泛验证用于微生物培养。紫外光凝胶化由于暴露时间过长而带来实际挑战，并且在交联过程中（通过化学剂或UV）产生的自由基会损害细胞。仔细滴定UV暴露和光交联剂剂量对于平衡交联效率和细胞活力至关重要，特别是对于敏感菌株或共培养。

修饰和功能化

水凝胶功能化策略定制基质特性以模拟特定的GI道条件。修饰可以复制区域特征，如pH、营养梯度或机械特性，以更好地研究微生物-肠道相互作用。基础聚合物强烈影响水凝胶特性，但修饰提供了相当大的灵活性来模拟原生管腔或黏膜微环境。

水凝胶是天然多孔结构，孔径从微米到纳米不等，取决于聚合物类型、交联剂和浓度。这种孔隙度在空间上分隔微生物，促进共培养和相互作用研究，而无需明确的屏障。

孔径可以防止细菌在隔室之间转移，同时允许营养物和小分子扩散，这受水凝胶配方和细菌大小的控制。细菌在水凝胶中的运动性关键取决于基质孔径和流变学。例如，琼脂糖中值孔径从0.33%聚合物浓度下的400 nm减小到1.0%下的200 nm。聚合物浓度也影响流变学，将材料在固体样或液体样状态之间转换，研究人员调节以模拟原生参数。

细菌在具有适当流变学梯度的悬浮环境中表现出最佳运动性，而 dense 凝胶（约0.7%琼脂糖）可能完全抑制运动。因此，水凝胶孔径影响运动性和营养扩散，反映了选择性屏障，允许营养物和信号分子通过，同时限制 larger 实体。孔径的准确体外测量仍然具有挑战性，因为常见技术（例如，电子显微镜）需要冷冻干燥，这会扭曲水凝胶形态。替代方法如原子力显微镜允许在水合、原生形状的水凝胶中进行孔径测量。

研究人员还利用水凝胶的可挤出性来“打印”分层结构，模拟GI梯度、物理约束和空间层次结构。重要的工作集中在适用于3D打印的载有微生物的水凝胶上。

微流控芯片集成水凝胶通过扩散产生氧气梯度，部分暴露于空气，从而能够同时实现厌氧和好氧条件。控制氧气水平和梯度使系统能够适应 diverse 实验设置，增强灵活性和精确性。除了气-凝胶界面扩散，水凝胶系统中的液相，考虑到在生理温度下快速脱水至关重要，可能会沿着水凝胶引入梯度。

水凝胶结构适应可以模拟大规模GI特征。它们的可模塑性允许生成用于研究细胞粘附的结构。此类结构可以涂覆生理相关蛋白质如黏蛋白，允许细菌粘附并与黏液样环境相互作用，从而提供对微生物定植和行为的洞察。

水凝胶在微生物学中的应用

水凝胶因其固定化能力、空间结构、扩散特性以及合成和生物聚合物选项和特性而成为微生物学中的强大工具。尽管应用范围广泛，但水凝胶通过固定化以类似的方式有益于实验设置，这有利于大多数应用，尽管其他任务需要其他特定特性。

在生物生产或脱氮中实施水凝胶微生物共培养可能优于传统浮游共培养，并增强发酵过程的寿命和效率，类似于使用多孔膜分离微生物群落以维持体外群落寿命所能实现的效果。相关著作，例如Jeong和Irudayaraj（2023）或Gottshall等人（2021）的作品，专注于微生物的分层共培养，并利用水凝胶实现的空间配置，尽管超出了生物工业的范围，使用水凝胶封装作为更基本的工具，通过营养梯度和空间限制来理解微生物种内和种间相互作用。

更传统的微生物学测定也有一些水凝胶辅助的对应物，例如MIC测定和细胞 stiff ness 的测定可以利用水凝胶来辅助、实现或简化测定。被认为没有水凝胶辅助就具有挑战性或不可能进行的测定主要与那些需要跟踪的测定有关。一方面，此类测定可能需要控制运动性或完全固定微生物，以促进对微生物的长期成像，其中微生物不从跟踪焦平面移开至关重要。另一方面，较低浓度的凝胶可以允许在受控方式下研究微生物运动性和运动依赖性特征。

水凝胶也可用于筛选封装在水凝胶基质（例如，与FACS兼容的微球）中的微生物库（即，复杂样品、变异库）。例如Fattahi等人（2020）和Van Der Vlies等人（2019）所展示的，他们可以从大型固定化库中光学识别具有理想表型的微生物变体，并使用 targeted UV光束将它们从光降解凝胶中释放出来。

最后，水凝胶也大量应用于益生菌、益生元和伤口愈合，各种基质被表征以增强益生菌物种如Akkermansia、Bifidobacterium和Lactobacillus在储存和GI传输过程中的存活率。这些研究人员遵循多种理念，从用于靶向递送的pH响应降解型到高度稳定且不可降解的基质，这些基质最大限度地减少来自原生肠道微生物的干扰。

胃肠道的水凝胶模型：基于微生物定位和应用的分类学

虽然这些应用跨越工业、生态和合成生物学背景，但一个特别丰富的应用领域在于GI建模。在此背景下，水凝胶不仅作为原生类似物，而且为微生物定位、屏障共培养和功能读数提供空间结构。这些方面可能难以纳入更传统的培养策略和（宿主-微生物共培养）gut-on-a-chip模型中，尽管它们在该领域广泛流行。以下部分重点介绍基于水凝胶的肠道模型，按微生物放置和实验范围组织。

相当多的努力已经投入到标准化水凝胶用于 diverse 建模应用，强烈关注模拟黏液样环境，因为与水凝胶具有天然相似性。然而，它们具有模拟非黏膜环境（如土壤）的相当大能力，在那里它们成功地复制了原生样条件。在GI道中，水凝胶用于模拟微生物、黏液、管腔内容和宿主组织之间的相互作用。我们提出了基于两个轴的肠道水凝胶系统分类学：(1) 微生物定位，与凝胶界面 versus 封装在其中，以及 (2) 功能范围，仅微生物 versus 宿主-微生物共培养。这产生了四种主要类型的基于水凝胶的模型：类型IA-IIB。

类型IA：界面，仅微生物

类型IA模型具有在液体培养基中培养的微生物，该培养基与水凝胶界面接触。这些系统主要用于模拟黏液层，将微生物接种到表面或附近，早期 adaptations 使用该平台作为测定，以使用各种单一培养和感染的复杂未定义群落观察、量化和研究体外黏液粘附。这些模型对于研究管腔-黏膜界面的定植、粘附和空间组织至关重要，通常在定义的梯度或流动条件下。此类系统允许复杂采样，例如，分析液体悬浮液、表面附着或水凝胶嵌入部分，以评估跨隔室的微生物行为。类型IA系统的效用主要在于揭示复杂群落微生物空间组织特征的环境。这些模型提供了一个高度受控的平台，用于观察微生物行为，包括附着、生物膜形成以及与黏液层的其他相互作用，这对于理解管腔-黏膜动力学至关重要。

类型IB：界面，宿主-微生物

类型IB模型通过使人类细胞系与微生物在水凝胶界面共培养而引入了额外的复杂性。在这里，上皮细胞培养在水凝胶相邻或顶部，微生物添加在顶端。这些系统允许实时 interrogate 微生物粘附、上皮反应或共培养中的屏障完整性，并广泛用于肠道感染和益生菌相互作用研究。具有绒毛样结构的模型为人类上皮细胞生长提供了基质，同时使微生物能够粘附并与细胞相互作用，模拟肠道管腔。类似地，Swaminathan等人（2021）利用水凝胶模型研究微生物对肠道上皮层的附着，揭示了GI道中的微生物-宿主动力学。

类型IIA：封装，仅微生物

类型IIA模型涉及将微生物直接封装在水凝胶基质内。这些模型涉及将微生物嵌入水凝胶中以模拟管腔的空间和物理化学约束。通过模拟肠道内黏膜层的物理和化学约束，Sardelli等人（2022, 2024）和Pajoum-shariati等人（2018）展示的类型IIA模型提供了一个有效的工具，用于研究在类似于体内的条件下的微生物生长和相互作用，因为微生物被迫居住于局部生物膜菌落。这些类型的模型使研究人员能够观察水凝胶内的营养梯度和扩散动力学如何影响微生物生长模式和竞争，这些现象在传统培养系统中难以复制。此外，将微生物封装在水凝胶基质内允许详细研究空间受限环境中的微生物代谢交换和群体感应，提供关于生物膜群落如何协调其活动的见解。

类型IIB：封装，宿主-微生物

类型IIB模型将水凝胶封装的微生物与共培养的人类细胞系集成，显著拓宽了其作为类型IIA系统扩展的应用。它们用于模拟生物膜形成、氧气梯度或结构化环境中的宿主反应，并且越来越多地包括免疫成分以捕获更生理相关的相互作用。值得注意的例子是Zheng等人（2023）和Huang等人（2022）开发的GI模型，它们模拟黏膜层并结合空间和化学梯度以模拟GI道的异质性。该模型促进了在由水凝胶界面引导的区域特异性条件下人类细胞和微生物之间相互作用的研究。

水凝胶模型中的微生物生理和行为

基于水凝胶的培养系统通过更好地模拟结构化的、空间复杂的体内微环境，提供了传统悬浮培养的强大替代方案，如前一节所示。在这里，我们回顾水凝胶培养如何影响微生物代谢、生长模式、群落组成以及与宿主或基质成分的相互作用。本节重点介绍了基于水凝胶和传统液体培养系统之间的关键差异。

代谢谱

在水凝胶中培养的微生物通常表现出与悬浮生长不同的代谢活性。例如，水凝胶封装的酵母和细菌系统显示出增强的纤维素降解和生物质生产。类似地，Ruminiclostridium cellulolyticum根据生长系统产生不同的发酵谱；乙醇在悬浮液中占主导，而乙酸盐和其他产物在封装条件下占主导。这些转变可能源于几个因素，包括更生理相关的微环境和在水凝胶基质中可实现的更高细胞密度。后者可能导致代谢输出的整体增加，而不一定增强细胞特异性代谢活性。解开这些效应需要直接测量每个细胞特异性代谢速率，这在技术上仍然具有挑战性。

水凝胶特性也可以驱动特定的代谢适应。例如，F127-双-氨基甲酸酯乙酯水凝胶中的氧气限制扩散促进了Saccharomyces cerevisiae从呼吸代谢向发酵代谢的转变，使乙醇产量增加了3.7%。这些发现强调了在解释基于水凝胶的培养中的代谢读数时考虑基质物理化学特性的重要性。

在3D水凝胶系统中，Escherichia coli与HepG2细胞共培养导致产生吲哚-3-丙酸，这是一种在2D培养中不存在的代谢物。这反过来刺激了HepG2细胞释放IL-22，说明水凝胶环境如何揭示与宿主免疫相关的上下文依赖性代谢信号。

群落动态和组成

使用水凝胶培养的微生物群落通常表现出与悬浮培养不同的动态和组成。例如，具有黏蛋白涂层水凝胶表面的类型IA系统支持了生物膜的形成以及 defined（123种，取自Chen等人（2022）的先前研究）和未定义群落中 strain-specific 空间模式和附着介导的基因组 invertrons 的出现。这些系统维持了比液体培养更高的物种丰富度，并且黏蛋白结合基因增加，呼应了在人类肠道中观察到的管腔-黏膜动力学。空间组织模式可以延伸到菌株水平，特定的分类群优先定植并在不同的微生态位中随时间自我组织。Calvigioni等人（2023b）表明，当Bacillus cereus被添加到GI来源的群落中时，在类型IA模型中，揭示了黏液浓度依赖性粘附和毒力基因表达，强调了宿主样界面的调节作用。

类型IA模型迄今为止已将定位分为 broad 类别（例如，上清液 versus 黏液结合），但未来的研究应采用高分辨率成像在微米尺度上揭示液体-凝胶界面处更精细的空间结构。这些研究可以揭示局部梯度、粘度或结合亲和力如何塑造 emergent 局部群落模式。

生长模式和生物膜形成

水凝胶基质，特别是类型IB系统，促进生物膜样生长，其特征是 dense、球形聚集体嵌入凝胶中。这在物种中都有观察到，包括Staphylococcus aureus、Pseudomonas aeruginosa、Saccharomyces cerevisiae和Escherichia coli等。聚集体形态受水凝胶特性影响，例如孔径和可变形性，这些特性影响营养 access 和机械 cues。生长速率通常与液体培养基中的不同， due to 扩散限制和改变的细胞状态。例如，减少的营养渗透会损害某些水凝胶中的微生物增殖。然而这种限制可能更好地模拟自然环境，在那里微生物通常占据仅相隔几百微米的空间生态位。水凝胶系统还支持稳定的多物种共培养，部分是通过减少竞争排斥。组成随水凝胶配方和初始接种物而变化。代谢交叉喂养可能进一步调节种群平衡。在较低密度的凝胶中，已经观察到卫星菌落形成，可能由细胞外运动结构促进。

微生物-凝胶相互作用

微生物对水凝胶的粘附取决于表面化学、孔隙结构和生物活性添加剂。功能化表面，例如黏蛋白涂层凝胶，增强黏膜相关物种的粘附并影响下游群落组装。细菌粘附也可以通过微生物表面蛋白质和水凝胶官能团（如羧基或羟基部分）之间的相互作用来调节。

相反，一些水凝胶被设计为抵抗粘附和生长。选择性调节水凝胶组分因此提供了一种 means 来 either 促进或抑制定植。

值得注意的是，微生物活性也可以重塑水凝胶特性。某些细菌在定植过程中改变凝胶基质的 stiffness 或完整性，特别是在黏液模型中，微生物降解黏蛋白并改变粘弹性。这些 reciprocal 相互作用表明水凝胶系统可以捕获微生物生理学和生物物理环境之间的反馈回路。

结论和未来方向

水凝胶已经改变了GI道的体外建模，特别是在复制结构化的、凝胶样生态位（如黏膜环境）方面。然而，它们的效用远远超出了黏液类似物。水凝胶系统还可以通过实现空间控制、营养梯度和微生物聚集来模拟肠道的 less structured 区域。尽管取得了重大进展，但关键挑战仍然存在。准确模拟人类黏液的天然糖基化模式和流变特性至关重要，因为微生物粘附和代谢对这些特征高度敏感。个体间变异进一步使设计代表性模型的任务复杂化。黏液的 highly heterogeneous 性质，包括全局径向和轴向梯度，但也有具有改变生理学和微结构的局部片段，强调需要更批判性地评估关于水凝胶与原生黏液生理和结构相似性的 claims。这将需要创造性的解决方案，并邀请机会与传统的GI道模型连接，例如利用细胞系或类器官产生的黏液层进行微生物培养。展望未来，需要个性化和疾病特异性的水凝胶系统来反映人类肠道的 diverse 条件。

为了捕捉这些复杂的动态，下一代模型必须纳入环境因素，如pH、氧气梯度和宿主衍生信号。这些模型对于研究微生物行为在疾病中如何转变，包括代谢、空间结构和生物膜形成的改变，将是必不可少的。

并行地，我们必须加深对微生物如何与水凝胶基质相互作用的理解，无论是在表面还是在凝胶内部。这包括检查不同的3D环境如何影响微生物基因表达、蛋白质生产和群落组织。特别重要的是上皮-黏液界面处的精细尺度（约100μm）宿主-微生物相互作用。虽然通常从宏组学中推断，但这些在原位仍然 poorly validated。水凝胶平台提供了一种易于处理的方法，以高空间分辨率实验解析此类相互作用。

新兴工具如3D打印、多重成像和活体原位显微镜有望进一步推动这一领域。当集成到水凝胶模型中时，这些技术将能够对微生物定植、代谢物交换和生物膜形成进行时间分辨研究，这些过程对健康和疾病都至关重要。为了支持这一点，一个更广泛的生物相容性、可调节和微生物友好的胶凝聚合物库将是必不可少的。这些应适应广泛的微生物物种，并允许 controlled 纳入疾病相关特征，如改变的pH、聚糖模式或粘度。

总之，基于水凝胶的GI模型代表了在重现人类肠道空间和生化复杂性方面的重要一步。此类受控、可扩展且生理相关的系统模型将为剖析微生物生态和功能提供新的机会。最终，它们可能为 novel 干预措施打开大门，这些措施利用或重塑微生物群落以获取治疗益处。