综述：颗粒水凝胶设计实用指南——定制复杂细胞微环境

这篇综述系统阐述了颗粒水凝胶（Granular Hydrogels）的设计原理与应用进展，重点解析了微凝胶（microgels）的"内部因素"（intra-microgel）和"组装因素"（inter-microgel）对构建仿生细胞微环境的影响，为组织工程和再生医学提供了可定制化的多孔支架平台。文章创新性地提出通过调控微凝胶组成、力学特性和组装策略，实现孔隙率（porosity）、机械性能（E/G'）和降解性的精准调控，为细胞行为（2D/3D迁移、分化等）提供动态仿生微环境。

　　

颗粒水凝胶作为新兴的微孔细胞培养与递送平台，通过自下而上组装微凝胶形成宏观聚集体，其灵活多样的特性使其成为模拟天然组织复杂异质环境的理想材料。这类支架的设计遵循两大关键原则：微凝胶内部固有特性和微凝胶间相互作用因素。

微凝胶内部因素包含三个核心维度：

1. 组成特性：从合成聚合物（如聚乙二醇PEG）到天然生物聚合物（如透明质酸HA、明胶），材料选择直接影响生物相容性和功能化潜力。通过引入细胞粘附肽（如RGD序列）可使惰性材料获得细胞相互作用能力。

2. 力学性能：单个微凝胶的弹性模量（E）通常介于0.8-470 kPa之间，通过交联策略（共价/非共价）、交联密度及溶胀行为进行调控。值得注意的是，目前尚缺乏针对微凝胶粘弹性的系统研究。

3. 形态特征：粒径（15-1000 μm）和形状（球形/棒状/不规则）共同调控最终支架的孔隙特性。高纵横比（≥6）的异形微凝胶可产生更大孔隙（25-225 μm），显著促进人脐静脉内皮细胞（HUVEC）和成纤维细胞的增殖。

微凝胶组装策略分为非定向填充和定向组装：
离心和真空辅助是非定向填充的主要手段，其堆积密度（φ）直接影响孔隙率（3%-50%）。当φ>0.64时，微凝胶进入"随机紧密堆积"状态，此时需要变形才能继续移动。定向组装则借助表面能、微流控、磁场等外力实现精确排布，但操作复杂且成本较高。

次级交联（退火）是稳定支架结构的关键步骤：

1. 化学交联：包括酶催化（如转谷氨酰胺酶）、自由基聚合和点击化学（如硫醇-烯、iEDDA反应），其中Tz-Norb反应因引入二级相互作用（π-π堆积）可使储能模量（G'）提升1.9倍。

2. 物理交联：主客体相互作用（如β-环糊精-金刚烷）和静电吸附具有动态可逆特性，赋予材料自愈合和可注射性。

3. 细胞驱动：依赖细胞-基质相互作用自发组装，虽效率较低但生物相容性最佳。

最终性能的生物学影响：
孔隙率梯度（10%-60%）可调控细胞行为：低孔隙率（<10%）限制细胞迁移，中等孔隙率（10%-40%）是2D/3D行为的过渡区，高孔隙率（>40%）支持深度细胞浸润。机械性能方面，G'<1 kPa利于人真皮成纤维细胞（HDF）铺展，1-2 kPa促进间充质干细胞（MSC）分泌细胞外基质（ECM），>2 kPa则显著增强成骨分化。

降解行为通过基质金属蛋白酶（MMP）敏感肽段调控，快速降解组（50%敏感交联剂）中人MSC表现出更强的网络形成能力。功能化方面，负载血小板衍生生长因子（PDGF-BB）和转化生长因子（TGF-β3）可显著促进人骨髓间充质干细胞（hBMSC）的基质分泌。

该领域仍存在重要挑战：微凝胶粘弹性调控的数据空白，定向组装的规模化生产瓶颈，以及异质性微环境构建的精度问题。未来发展方向包括开发智能响应型微凝胶、建立多尺度力学传导模型，以及整合生物制造技术构建仿生器官芯片。这些突破将推动颗粒水凝胶在精准医学和再生治疗中的应用。