《Advanced Healthcare Materials》：Microgel-Based 3D Bioprinting: A Convergent Strategy Integrating Material Design, Jamming Dynamics, and Biological Function
在技术创新与个性化医疗需求增长的推动下，基于微凝胶的生物打印成为构建具有生理相关性的组织模型与患者特异性结构的通用策略。通过将微凝胶体系与三维生物打印相结合，该方法能够制备复杂的载细胞结构，精准复现天然组织的结构与功能。其核心优势在于微凝胶相较于传统水凝胶基生物墨水具有可调流变行为、更高的打印保真度，以及支持细胞存活与成熟的微环境。本综述阐述了塑造这一快速发展领域的基础原理与最新进展，聚焦于微凝胶合成策略，以及如何利用其物理化学设计与流变特性精准调控打印性能与生物学表现。文章全面探讨了微凝胶在三维生物打印中的作用，重点关注其阻塞行为及构建类组织仿生结构的能力。同时，还探索了用于制备结构与功能先进的三维微凝胶材料的新型方法，强调了其在多种生物医学应用中的变革性作用。最后，综述概述了关键的转化机遇与挑战，强调基于微凝胶的三维结构作为再生疗法与临床相关组织开发的通用平台的巨大潜力。
1 引言
过去二十年，材料科学、生物工程与增材制造的交叉融合重塑了生物医学创新格局。这种融合不仅重新定义了生物医学器件的设计与制造原则，也改变了生命系统的概念化方式，弥合了工程材料与生物学功能之间的长期鸿沟。在这一新框架下，物质可被数字化引导生长、适应环境并与之交互，使得构建曾经仅存在于想象中的组织和器官成为可能。这一进步将三维打印转变为生命物质的设计语言，细胞、生物分子与智能材料可被编排成复杂的、临床相关的类组织组装体。该领域已从最初局限于惰性聚合物和金属，迅速发展为软物质活体领域，引领新一代生物制造中形式与功能的融合。
受此推动，三维打印结构库已从单纯的结构或机械原型，发展为旨在促进细胞生长与组织工程（TE）的生物导向系统。美国食品药品监督管理局（FDA）已逐步认可三维打印技术的临床潜力，批准了一系列从骨科植入物到牙科修复体的医疗器械，凸显了对该技术临床转化的信心日益增强。
在水凝胶基生物墨水的推动下，海藻酸盐、明胶及其甲基丙烯酰化衍生物明胶甲基丙烯酰胺（GelMA）、透明质酸等在早期生物打印中占据核心地位，这得益于其高度水合的网络结构、可调力学特性、配方适应性，以及固有的生物相容性与仿生能力。
尽管前景广阔，传统块状水凝胶在打印性能与生物学表现方面存在固有局限。打印性能问题源于不理想的流变行为、低结构稳定性（尤其在复杂多层结构中）、缓慢或不受控的交联；而生物学限制则与损伤细胞的挤出条件、受限的营养传输、有限的结构异质性以及细胞-材料相互作用控制不足相关。在此背景下，能够主动响应活细胞的活性三维结构大多仍处于临床前阶段，需要深入研究才能临床转化。
在此框架内，基于微凝胶的三维打印结构已成为最具吸引力与通用性的创新之一，为工程化复杂、动态且生物相容的结构提供了新途径，融合了微尺度结构与动态细胞-材料界面，模糊了合成材料与活体组织之间的界限。微凝胶是微米级水凝胶颗粒，具有高度可调的力学、化学与生物学特性，是构建软质、可重构材料的模块化平台。当微凝胶致密堆积时，会形成颗粒状水凝胶，在静止时表现出类固体行为，在剪切应力下表现出类流体特性，这一现象被称为阻塞转变（jamming transition）。这种独特的流变适应性使微凝胶能够作为自支撑生物墨水，可顺畅流过打印喷嘴，并在沉积后迅速恢复结构完整性，这是实现高分辨率、高保真三维生物打印的基础特性。通过解决传统水凝胶打印在结构保真度与生物活性方面的固有局限，微凝胶平台能够制备结构复杂、可动态重塑且具有功能整合性的生命系统。此外，精准调控微凝胶界面化学并整合生物活性信号基序，正在催生能够支持细胞进程并能随生物环境进行力学适应的智能响应型生物墨水。
除实验室研究外，微凝胶体系在生物制造领域的商业成功凸显了其广泛的适用性与转化潜力，反映了阻塞启发式材料在当代生物医学中的实际意义。生物打印公司与生物材料供应商现已提供基于海藻酸盐、明胶甲基丙烯酰胺（GelMA）、聚乙二醇（PEG）及其他生物聚合物的即用型微凝胶墨水与模块化生物墨水。这些产品已应用于组织工程、再生医学与药物递送领域，证明微凝胶基材料可同时提供机械支持与生物学功能。与此同时，受患者特异性解决方案、个性化疗法及微创生物制造技术需求的驱动，三维打印生物材料的临床市场持续扩张。
从这个意义上说，基于微凝胶的三维打印物质的概念不仅代表了一项技术创新，更是下一代生物制造的框架性理念，将可注射性、多孔性、剪切稀化行为与生化可调性整合于单一的高度通用平台之中。这些特性赋予了材料工程精度与生物学相关性，支持细胞封装、营养交换与组织成熟，其架构可镜像天然细胞外基质（ECM）。
总体而言，这些创新为旨在引导组织修复、再生与器官水平建模的功能整合结构奠定了基础。通过解析材料设计、细胞生物学与增材制造之间复杂的相互作用，研究人员正利用微凝胶构建兼具力学鲁棒性、生物学功能性及潜在临床转化性的结构。
鉴于该领域日益增长的关注度与快速发展，已有数篇综述探讨了用于生物医学与生物制造应用的微凝胶基系统，主要聚焦于其合成策略与物理化学性质，强调其相较于传统块状水凝胶在改善打印性能与生物学表现方面的优势。后续研究进一步分析了颗粒状水凝胶生物墨水与基于微凝胶的三维生物打印系统，介绍了其作为模块化构建单元的作用，并强调了其流变行为及作为可打印生物材料在构建复杂组织工程结构中的潜力。尽管这些研究对该领域做出了重要贡献，但大多数仅关注微凝胶系统的个别方面，未能充分整合微凝胶设计、阻塞行为、打印性能与生物学结果之间的关系，而这些因素共同决定了其功能表现与转化潜力。
基于上述进展，本综述深入探讨了基于微凝胶的三维打印物质的新兴领域，提供了一个整合视角，将微凝胶的物理化学设计、阻塞行为、三维打印与生物制造性能，以及工程化组织中的生物学功能联系起来。除了总结合成策略与生物制造方法外，还讨论了微凝胶架构、流变特性与加工参数之间的相互作用如何影响结构保真度、细胞行为与组织发育。此外，文章阐述了仍阻碍基于微凝胶的三维结构临床转化的实际、科学与监管挑战，而这些方面在现有综述中常被相对忽视。通过桥接材料设计、生物制造策略与生物学结果，本综述旨在为推进基于微凝胶的三维物质向下一代生物制造组织发展提供概念框架，这些组织应是动态的、可编程的、本质上有活性的且具有临床相关性。
2 微凝胶制备策略：复杂生物结构的构建单元
从液滴到结构，微凝胶配方的艺术使得高度可控的生物结构得以创建，释放了三维打印在多个生物医学领域的潜力。精准控制微凝胶的尺寸、形状与功能特性，使得这些微小构建单元能够被组装成先进的、多样化的结构，紧密模拟天然组织环境。通过调整其组成与响应性，微凝胶不仅可作为结构支架，还可作为控制药物递送、信号传导或细胞封装的载体。因此，微凝胶的精心设计与配方是构建具有精准定制特性的先进三维打印生物结构与功能组织的基础支柱。
迄今为止，已开发出种类繁多的微凝胶制备策略，根据材料特性与目标应用，通常可分为以下几类：批量乳化法、膜乳化法、微流控法、电喷水动力法（EHDS）、湿法纺丝法、光刻法、沉淀聚合法与机械破碎法。理解微凝胶的合成与配方至关重要，因为所选方法直接影响其架构、功能性与后续应用的适用性。
微凝胶制备策略的性能与局限性各异。批量乳化法通量高、通用性强，可实现多种聚合物组合，但尺寸分布控制较差，限于批量工艺。机械破碎法简单经济，适用于多种聚合物体系，可规模化生产，但粒径控制差，形状均一性难以实现。膜乳化法可制备单分散微凝胶，通量高，工业可扩展性强，但受限于特定聚合物，需要精确控制流速。沉淀聚合法操作简单、可规模化，可制备高度交联的微凝胶，适用于药物递送，但形态控制较差，需谨慎选择溶剂。电喷水动力法可生成超细（纳米级）微凝胶，与生物材料兼容性好，适用于药物递送，但需要高压复杂装置，可扩展性有限。湿法纺丝法可高度控制微凝胶几何形状，生成高长径比微纤维，交联方式多样且无需专用设备，但材料适用范围受限，机械脆性大，几何复杂性有限，工艺敏感性强。微流控法可精确控制尺寸与形状，制备自适应微凝胶，适用于生物医学应用，但通量低，设备成本高，技术难度大。光刻法可实现高分辨率微粒图案化，支持复杂架构，适用于生物传感器与组织支架，但受材料限制，依赖设备，通量低，细胞递送受限，大规模生产成本效益低。
微凝胶通常通过交联水凝胶前体液滴制备，各种方法在可扩展性、单分散性与生物相容性方面各有差异。虽然乳化、沉淀聚合与破碎法提供了操作简便性与高通量，但微流控、电喷水动力、湿法纺丝与光刻等技术则能实现对结构与功能的精确控制。除制备技术本身外，所选择的交联策略对微凝胶特性、细胞相容性及整体性能具有关键塑造作用。
尽管制备策略能够精确控制微凝胶的尺寸、组成与架构，但其功能相关性体现在宏观组装层面，颗粒间相互作用与堆积密度决定了流变特性（如阻塞与流动行为），这些是决定生物制造过程的核心特征，并与微凝胶的物理特性（包括尺寸、形状、刚度与表面化学）内在关联。
3 微凝胶在三维生物打印中的应用：利用固有特性与阻塞行为
在三维生物打印探索的微粒生物材料库中，微凝胶因其独特的流变特性与结构通用性，最近作为生物墨水崭露头角，能够制备解决组织修复与再生复杂需求的活性结构。与传统水凝胶基墨水不同，微凝胶体系表现出显著的剪切稀化与快速自愈合行为，既能实现顺畅挤出，又能维持结构完整性。这一特殊性源于其能够形成交联的水凝胶颗粒，在挤出过程中聚集为凝聚的整体结构，达到阻塞状态。在这一转变中，颗粒表现出屈服应力行为，使其在沉积后能立即保持形状。本节首先介绍微凝胶阻塞的基本原理，进而讨论不同的阻塞状态如何支配微凝胶基生物墨水的流变学、打印性能及结构稳定性，强调其在生物医学应用中的重要性，在这些应用中，空间精度与长期功能是至关重要的。
3.1 微凝胶阻塞的基本原理
阻塞代表了无热相变过程，发生在非晶系统（如颗粒物质、胶体悬浮液、复杂流体甚至细胞组装）中，可在流动自由态与刚性态之间转换，可通过调节不同的热力学与机械变量诱导发生。在阻塞状态下，微凝胶表现出从分子尺度到宏观尺度的多尺度结构与功能特性，这源于其复杂的相互作用与条件依赖性组织。这些特性是高度动态的，由颗粒浓度、外部刺激以及微凝胶的固有物理化学性质共同决定。因此，当颗粒堆积分数（或颗粒体积比，φ）达到临界阈值，并在适当的应力与温度条件下，微凝胶发生阻塞转变。
与胶体尺度系统相比，这些多样化软物质的颗粒间相互作用主要由强弹性力、重力与摩擦力主导，而非热运动与范德华力。因此，微凝胶的特征在于其依赖于堆积的阻塞行为，从自由流动的悬浮液（未阻塞状态）过渡到完全阻塞的颗粒状固体。
通常，低于临界堆积阈值时，微凝胶处于未阻塞状态，表现为悬浮液中独立运动的自由流动颗粒。当堆积分数（φ）接近随机松散堆积（φ≈0.58）时，出现脆弱的接触网络，系统进入弱阻塞状态。在此状态下，颗粒处于最小阻塞状态，系统具有低屈服应力，颗粒易于重排，同时保持全局力学稳定性。将堆积分数增加到接近随机紧密堆积（φ≈0.64）会增强颗粒间相互作用，系统转变为完全阻塞状态，其特征是颗粒紧密堆积，共同产生渗透性接触网络，导致系统表现出类固体的屈服应力行为，类似于块状水凝胶。超过随机紧密堆积后，可能出现过阻塞状态（φ>0.64），此时过度的颗粒相互作用伴随颗粒变形与相互穿透，会增加挤出压力并可能损害打印性能。
事实上，软微凝胶系统本质上更为复杂，主要由具有高度可变形性和颗粒间摩擦力的非对称与非球形颗粒组成，这些因素共同作用可能使阻塞转变发生在体积分数大于0.64的情况下。无论其颗粒性质如何，微凝胶在阻塞过程中的压缩可通过离心力或机械压缩等外力控制。为了更好地理解其行为，还需针对具有不同形状和变形能力的非对称颗粒的堆积进行补充实验。
3.2 流变特性与打印性能
微凝胶的流变特性，特别是其阻塞行为和剪切稀化特性，在生物制造适用性中起着核心作用。剪切稀化描述了材料在施加剪切应力下从低粘度流动转变为高粘度稳定状态的能力，直接影响打印性能与形状保真度。在打印过程中，喷嘴中施加的剪切力导致颗粒间接触的瞬时破坏，使材料能够流动。一旦撤去应力，这些相互作用迅速恢复，重新建立屈服应力行为。这种可逆转变源于摩擦接触与弹性颗粒变形，以及相邻颗粒间的短程非共价相互作用（包括静电相互作用），这些作用在颗粒压缩增加时变得愈发显著。此外，打印性能与形状保真度还受到阻塞微凝胶墨水的物理化学特性的驱动：随着微凝胶尺寸增大，打印分辨率急剧下降，反之，较小直径可保持更好的分辨率；而均匀的微凝胶群体分布可确保挤出平滑连续的细丝，非对称群体则可能导致不规则沉积。传统水凝胶通常作为具有类液体流变特性的均质前体溶液注入，并通过原位交联策略或剪切稀化机制诱导凝胶化，而致密堆积的微凝胶由于其颗粒性质和微小尺寸，可直接注射。阻塞诱导的内聚力、颗粒间相互作用与剪切稀化行为的结合，使微凝胶易于挤出，形成稳定的、高分辨率的载细胞结构。
3.3 结构稳定性
虽然阻塞主要通过减少打印过程中的机械损伤，为封装细胞提供瞬态结构完整性与保护性环境来支持制造过程，但打印结构的长期力学稳定性与耐久性还取决于额外的后处理步骤，如颗粒间退火，通常通过二次交联（例如共价键合、光聚合、离子交联或酶促键合）自然实现。力学特性与稳定性可通过化学或动态颗粒间交联、通过间隙基质生成次级网络，或掺入可改变微凝胶间界面相互作用的纳米颗粒来进行调控。
此外，微凝胶的双尺度基质结构使其比块状水凝胶具有更大的溶胀与压缩能力：第一，每个微粒内的纳米尺度网络由颗粒内聚合物交联形成，支配局部溶胀、弹性与响应性；第二，阻塞状态下的微粒多孔基质由微凝胶间的颗粒间相互作用与互锁形成，决定整体压缩性、网络连接性与力学稳定性。此外，致密堆积的微凝胶还具有自愈合行为，当其动态、可逆的颗粒间相互作用被破坏时即可触发。
除结构特性外，在设计用于组织工程的基于微凝胶的三维结构时，还应考虑阻塞微凝胶的特定多尺度功能特性，例如异质性与空隙空间/孔隙率。由于天然组织是一个复杂的微环境，包含大量支持细胞与信号分子交换的结构与生化元件，异质性是微凝胶墨水的另一个基本特征。阻塞微凝胶的聚集性质为将异质性融入生物材料提供了理想平台。整合颗粒内和/或颗粒间异质性可赋予微凝胶墨水额外的复杂性，从而在颗粒或系统水平上产生多因素影响，允许构建更能复制天然组织环境的仿生结构。颗粒内异质性涉及结合具有适配表面化学的个体颗粒，而颗粒间异质性意味着组合多种在配方、基质组成、负载物等方面存在差异的微粒群。此外，可通过简单混合多种具有不同特征的微凝胶物种来配制异质性微凝胶基材料，直至颗粒在空间均匀分布；这使得能够生成具有力学各向异性和功能异质性的复合墨水。需要注意的是，设计复杂性的增加会带来复杂的功能结果，因此必须深入理解颗粒混合可能产生的多方面生物学功能。
阻塞微凝胶的另一个关键功能特性是其形成具有高孔隙率的三维物质的能力。致密堆积微凝胶颗粒之间的间隙空隙与总孔隙率直接相关，而这些孔隙的大小与组装微凝胶的尺寸成正比。因此，致密堆积的微凝胶颗粒生成具有微米级孔隙的三维物质，这对于其生物整合与生物学性能是至关重要的。考虑到大多数细胞的微米级尺寸，这些孔隙促进了质量传输并推动了组织整合，相比之下非多孔水凝胶则表现较差。微凝胶基系统的平均孔隙率受微粒几何形状、平均直径、刚度与压缩程度的影响，而孔隙率降低通常与渗透率和质量传输速率下降相关。
这些流变与结构特征定义了阻塞微凝胶结构所创造的物理化学环境，强调了它们在生物医学领域的重要性，在这些领域中，架构精度与长期功能在生物制造过程中是至关重要的。特别是阻塞行为是决定挤压式三维打印中形状保真度、结构完整性和整体打印性能的主要因素。同时，这种性能直接影响细胞行为、发育与组织形成，这将在单独章节中讨论。
4 构建基于微凝胶的三维结构：生物制造的高级策略
成功的三维生物打印关键取决于策略性地选择具有适当生物学、力学与流变特性的生物墨水，以确保细胞活力、组织成熟与结构稳定性。生物材料墨水的选择直接影响打印保真度、生物相容性与结构的长期功能。尽管传统块状水凝胶因其能够复现天然组织结构而被广泛用于生物打印，但由于其连续的宏观网络与纳米级孔隙，它们表现出有限的打印分辨率与营养传输能力。相比之下，微凝胶基墨水结合了精确沉积所需的可调力学与流变特性，以及细胞活力与组织成熟所需的生物学功能。
微凝胶通常通过离心、过滤或沉降浓缩至足以诱导阻塞转变的堆积分数，从而实现挤压打印所需的剪切稀化与屈服应力行为。根据配方策略，微凝胶可用作模块化生物墨水，或分散在渗透性连续水凝胶基质中以形成双相系统，从而改善结构内聚力与生物学性能。据报道，天然（透明质酸、琼脂糖）和合成（PEGDA、聚丙烯酰胺）聚合物均可用于挤压三维打印的阻塞微凝胶墨水。这些系统通常具有合适的流变特性与屈服应力行为，能够在挤出时实现改进的复杂三维设计与形状精度。或者，可将微凝胶与间隙基质组分结合以生成双相生物墨水。例如，分散在GelMA水凝胶中的PEG微凝胶形成了具有改进流变学、打印保真度与结构稳定性的双相胶体网络。细胞也可被封装在单个微凝胶内、分布在颗粒间隙空间中，或嵌入次级基质中，从而灵活控制细胞组织与微环境参数。
打印后，通常采用额外的稳定策略来加固打印结构并确保长期结构完整性，例如颗粒间交联或间隙基质内的次级网络形成。这些通用的稳定策略依赖于相邻微凝胶颗粒之间的多种物理与化学相互作用，可能包括酶促反应、光聚合、点击化学、胺偶联或非共价相互作用（如氢键与静电力）。此外，这些相互作用可定制以控制生物墨水的内聚力，并促进生物活性成分的掺入。除了稳定微凝胶组装体外，这些可调相互作用还通过高级生物制造技术增强了其加工成复杂架构的能力。在此背景下，数字光处理（DLP）与超声微绘图等技术能够实现具有均匀或梯度微凝胶分布的复杂架构的制备。本章讨论了用于制造和打印基于微凝胶的结构的主要技术，重点介绍了其基本原理、优势以及在创建复杂、仿生组织架构中的应用。
4.1 嵌入式三维打印
嵌入式生物打印利用一种阻塞微凝胶支撑介质，该介质在打印过程中受剪切流化，并在应力移除后迅速固化。这得益于微凝胶的低模量、屈服应力、快速弹性恢复与局部屈服特性，从而实现了高精度、可控的增材制造。羧乙烯基共聚物（Carbopol）基微凝胶是首批用于嵌入式三维打印的支撑材料之一，因其屈服应力与触变性，已被确立为基准。后续研究证明了在Carbopol微凝胶中将原本难以打印的材料（如聚二甲基硅氧烷）打印成圆柱形结构的能力，同时确定了中性pH下0.8%（w/v）Carbopol是打印海藻酸盐的最佳浓度。除Carbopol外，合成聚合物基微凝胶（如PEG、二嵌段/三嵌段共聚物以及含有阳离子、两性离子或阴离子基团的聚电解质体系）已被探索用作嵌入式打印的可调支撑浴。结合天然与合成聚合物的杂化微凝胶也已开发用于组织特异性应用。另一方面，天然聚合物基支撑介质（包括琼脂与κ-卡拉胶微凝胶）已证明其卓越的自愈合与承重能力。
4.2 挤压式三维打印
挤压式三维打印能够根据计算机辅助设计（CAD）模型，通过逐层沉积生物材料墨水，实现患者特异性的复杂组织、器官与医疗器械的制备。打印保真度与精度通过打印速度、压力、喷嘴直径与墨水流变学等参数控制。据报道，使用微米级颗粒可改善三维打印结构的多种物理化学特性。在合成体系中，基于聚（2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸）（PAMPS）的微凝胶相比其块状对应物具有10倍的机械韧性，其多功能组成使其能够用于软体机器人与植入物的刺激响应性交联。此外，研究证明了基于微凝胶的墨水的鲁棒性，能够打印可支撑1公斤重量的鞋垫，并且PAMPS/聚丙烯酸墨水可完全回收且产率接近100%。聚（N-异丙基丙烯酰胺）（pNIPAM）微凝胶墨水也展示了构建刺激响应设计的潜力，实现了按需破碎与温度触发的分辨率提升。微凝胶的尺寸也会影响最终的三维结构，较大的微凝胶会降低打印分辨率。天然聚合物基微凝胶，特别是明胶、GelMA、透明质酸、琼脂糖与壳聚糖，被广泛用于生物相容性三维生物打印。例如，开发了基于明胶的阻塞微凝胶系统，使用深共熔溶剂交联，实现了高耸的无支撑架构，超越了易坍塌的传统高长径比水凝胶。另一项工作使用明胶微凝胶作为GelMA基颗粒墨水中的牺牲组分，创建了增强细胞浸润的互联多孔结构。除作为块状水凝胶基质外，GelMA还可加工成微凝胶，证明了其在支持高细胞活力与复杂结构方面的能力。动态交联的微凝胶生物墨水进一步改善了颗粒间相互作用、打印性能与细胞浸润。透明质酸微凝胶实现了高分辨率（40微米）的耳状与晶格结构，与块状水凝胶相比表现出优异的力学强度与均匀的糖胺聚糖及I/II型胶原沉积。琼脂糖基微凝胶生物墨水相比块状水凝胶提高了120小时的细胞存活率，并通过其微孔网络促进了质量传输。壳聚糖是另一种有前途的微粒生物墨水材料。其他微粒墨水还包括荞麦蛋白、羧化
