综述：用于3D生物制造的微凝胶

本综述系统阐述了微凝胶（Microgels）作为革新性生物材料在3D生物制造领域的应用前景。文章详细分析了多种微凝胶制备技术（包括微流控、电喷雾、光刻等），重点探讨了其作为生物墨水（Bioinks）和悬浮支撑浴（Support Bath）在挤出式生物打印中的独特流变学特性（剪切稀化、自愈合），并展示了其在药物递送系统（DDS）、组织工程支架构建（如血管化骨再生、神经修复）和再生医学中的突破性应用，为生物制造领域提供了创新性解决方案。

　　

微凝胶制备技术的多元化发展

微凝胶作为尺寸在1-1000微米的凝胶微粒，其制备技术已从早期的机械破碎法发展到如今的高精度制造策略。机械破碎法通过物理剪切力将块状水凝胶破碎成微粒，虽操作简单且成本低廉，但存在精度低、均匀性差以及高剪切力损伤细胞活性等问题。微流控技术通过两相流体在微通道内形成单分散液滴，可精确控制微凝胶的尺寸和形态，甚至制备棒状、核壳结构、Janus等复杂形态，但面临油相残留和产量限制的挑战。批量乳化法通过搅拌使水凝胶前体溶液与油相形成液滴，操作简便但单分散性控制较差。沉淀聚合法在无需表面活性剂的情况下通过单体沉淀形成微凝胶，具有良好的可扩展性和功能设计灵活性。电喷雾技术利用高压静电场制备微凝胶，无需油相和表面活性剂，能更好地保持生物分子活性，但参数调控复杂。气体剪切法通过气动力破碎溶液，具有生物友好性和高通量优势，可设计多室结构用于多药物递送。离心法在离心力作用下使液体通过喷嘴形成液滴，生物相容性良好但通量有限。光刻技术利用光敏材料的光聚合特性，通过光掩模技术制备微米级微凝胶，精度高但设备成本高昂。3D打印技术（如DLP）可实现微米级分辨率的打印，直接制造具有复杂结构的微凝胶，为个性化医疗提供新途径。

微凝胶作为生物墨水的革命性应用

在挤出式生物打印中，微凝胶基生物墨水展现出独特的流变学优势。其高孔隙率和生物相容性使其成为细胞封装和组织工程的理想选择。微凝胶的颗粒特性赋予墨水剪切稀化和自愈合能力，在静止状态下呈现类固体行为，在外力作用下发生流体化流动，打印后迅速恢复稳定性。动态共价交联（如宿主-客体相互作用、腙键、硼酸酯键）进一步增强了墨水的可打印性和细胞相容性。双相生物墨水策略将微凝胶与水凝胶前体溶液结合，既保持了打印所需的流变学特性，又创造了异质性微环境，促进细胞重组和血管化。微凝胶的尺寸、形状和浓度直接影响打印分辨率，单分散微凝胶需要喷嘴直径至少为微凝胶尺寸的两倍，而多分散系统则需要三倍以上，这在一定程度上限制了打印精度的提升。

微凝胶支撑浴技术的高精度打印突破

嵌入式打印技术利用微凝胶支撑浴为软质水凝胶提供浮力和空间限制，防止结构坍塌，实现对低粘度材料的高精度打印。微凝胶支撑浴的多孔结构增强了物质传输，其流变特性允许局部剪切稀化而不扰动周边区域，打印后瞬间恢复粘弹性以锁定结构。通过优化微凝胶的组成和性质，可提供更适宜的细胞生长环境，提高打印过程中的细胞存活率并促进打印结构的功能化。自由可逆嵌入悬浮水凝胶（FRESH）技术通过热可逆微凝胶悬浮实现微米级分辨率的3D生物打印，无需支撑结构，成功打印了心脏、肾脏、肺和血管等复杂模型。

微凝胶在多孔支架构建中的创新设计

微凝胶通过牺牲模板策略构建多孔支架，克服了传统水凝胶纳米孔隙限制细胞功能的局限性。微凝胶组装支架可实现从纳米级到微米级甚至厘米级的孔隙，显著促进营养物质和细胞的浸润，为细胞生长提供更有利的微环境。微凝胶的高比表面积提供更多细胞粘附位点，支持创建具有空间定义特性和各向异性的生物支架，引导细胞迁移和增殖路径。可注射微凝胶多孔支架基于微凝胶的原位交联，能够自适应填充缺损部位，并通过梯度释放活性物质促进组织再生。在骨再生中，微凝胶支架的互连大孔能够招募内源性细胞（如成骨和血管生成细胞），利用周围微环境作为天然生物反应器促进血管化骨再生和与宿主骨的整合。

微凝胶在生物医学领域的广泛应用

在药物递送领域，微凝胶的三维聚合物网络可封装多种治疗剂（小分子、蛋白质、细胞外囊泡和核酸），其多孔结构提高了载药量和释放动力学。刺激响应型微凝胶能响应pH、温度或酶活性变化，实现靶向递送。Janus微凝胶的不对称结构便于不同药物或生物分子的分区封装，实现组合给药。多室微凝胶可共载多种药物，实现协同给药，并通过核心壳结构保护药物免于胃酸降解，实现肠道特异性释放。

在组织工程和再生医学领域，微凝胶作为细胞培养支架，通过物理相互作用、化学反应、细胞间通讯、外部刺激驱动组装和水凝胶嵌入微凝胶系统等策略构建三维培养环境。与传统二维培养相比，微凝胶构建的三维环境更接近体内转录组谱，更好地保持细胞表型和功能。微凝胶组装支架可控制孔隙大小和分布，满足不同细胞和组织类型的特定需求，在软骨修复、血管化骨再生、神经组织工程等领域展现出巨大潜力。微凝胶的可注射特性使其能够适应复杂组织缺损，并通过调节降解速率与组织重塑达到平衡，实现功能性修复。

技术挑战与未来展望

尽管微凝胶系统在3D生物制造中展现出巨大潜力，但仍面临诸多挑战：打印过程中的喷嘴堵塞、结构稳定性不足、长期细胞相容性受限以及批量生产中的质量变异等问题亟待解决。新兴的3D生物打印平台（如体积打印技术）为微凝胶生产提供了新机遇，其原位打印优势降低了对墨水理化性质的要求。多材料多细胞生物制造通过微凝胶的多功能性和组合生物墨水配方，允许有序组装成具有明确理化特性的复杂结构，有望复制天然组织的生物梯度结构。4D打印技术将"智能材料"与3D生物打印结合，使打印结构能够随外界刺激发生形态和功能变化，为复杂工程化组织和个性化组织设计开辟了新可能性。

微凝胶技术的临床转化和产业化仍面临监管复杂性、临床失败风险和生产一致性等多重挑战。未来需要跨学科合作，从可持续微凝胶制备技术的开发到生物打印新范式的创新，共同推动微凝胶在生物制造领域的应用发展。