【逸芯生命科学】生命砖块：微球与生物结构的奇妙联姻

水凝胶可以模仿细胞外基质（ECM）为细胞提供结构支撑促进组织再生。它通常表现出各向同性特征，而天然的ECM在纳米、微观和宏观长度尺度上表现出异质的多尺度复杂性。将传统散装水凝胶小型化到微观尺度，称为微凝胶。微凝胶由于其独特的微观几何形状，比表面积增加，促进了高效的营养和废物交换，从而刺激了细胞过程，增强了细胞和生物材料之间的相互作用。

随着微凝胶技术的发展与进步，研究人员开始将微凝胶微观构建单元进行模块化结构构建，对微观和宏观水凝胶进行时空控制，以更准确模拟出活组织复杂的结构和组成。利用超分子化学（如通过非共价相互作用，如氢键、疏水相互作用等）设计新型水凝胶，赋予其材料动态性和适应性；微凝胶作为的模块化生物墨水与生物3D打印结合，以创造具有明显微观和宏观特性的水凝胶。将各种功能结构域纳入散装水凝胶中，微凝胶为宏观凝胶提供强机械韧性。

超分子单体配方构建工程模块化、动态微凝胶和复合宏观凝胶

2024年10月《Advanced Materials》杂志上发表了一篇关于构建稳定微凝胶的超分子单体配方的研究论文。

研究人员将尿素-吡啶啶酮（UPy）单体使用水-油乳液微流体设置制备成独立的模块化超分子聚合物微凝胶，完全通过非共价相互作用固定在一起。使用了单功能（M型）UPy单体和双功能（B型）UPy2-PEG10kDa交联剂作为基础高分子水凝胶形成系统。在纳米尺度上，分子构建块的模块化特性有助于精确调整微凝胶特性，其B-至M型单体比可调决定其动力学，不同单体浓度决定其机械性能，生物活性超分子细胞粘合RGD肽功能化的微凝胶支持细胞培养。通过这种方法，成功地建立了从分子到纳米、微观和宏观尺度的长度尺度的模块化控制。

石屋启发的3D打印策略构建宏观水凝胶支架

2024年4月《Advanced Functional Materials》上发表的一篇关于利用石头小屋启发的3D打印策略构建具有可调微地形的微球图案支架促进骨骼再生的研究论文。

该策略受“石头小屋”建造的启发，一种由聚（乳酸-乙二酸）（PLGA）微球（作为“石”和海藻酸盐（藻）水凝胶（藻类）组成的复合聚合物墨水具有出色的可打印性。受益于这种定制的“石和砂浆”墨水的优势，微球图案脚手架模仿了石头小屋的结构，是通过挤出打印制造的，“石头”之间的沟槽脊微观结构的宽度可以通过改变“石头”尺寸来精确调节，从而赋予3D打印支架可调的粗糙形貌。通过量化表面粗糙度、膨胀和机械性能，评估了沟槽脊微观结构对脚手架物理性能的影响。此外，对微球图案支架进行了全面的体外生物评估，包括细胞招募、附着、增殖和成骨分化。此外，验证了体内微球图案支架的骨传导，包括免疫反应、血管化和新骨形成，以修复严重的兔子颅骨缺损。

MSC细胞球和微凝胶颗粒制备复合支架

2023年12月在《Advanced Materials》杂志上发表的一篇利用细胞球体和颗粒水凝胶的优势属性制备的颗粒复合材料构建宏观水凝胶支架的研究论文。

研究人员将MSC球体和NorHA微凝胶组合成颗粒复合材料用于构建软骨组织宏观支架。通过颗粒介质的剪切变稀疏和注射性，通过微凝胶的颗粒间交联的稳定性，细胞-细胞接触以促进MSC软骨生成，球状融合、生长形成软骨组织，这种新型颗粒复合方法在工程化软骨组织领域极具希望，需要进一步评估临床前治疗软骨缺陷的潜力。

总结

水凝胶微球作为生物砖在组织工程中的未来发展方向将聚焦于提高生物相容性和力学性能、精确控制药物释放、3D打印技术的应用、多级结构和功能集成、开发组织特异性支架、推动临床转化、跨学科研究合作，以及实现环境和经济的可持续性。这些进步将促进水凝胶微球支架在再生医学中的应用，为个性化医疗提供新的可能性。