水凝胶由于其优异的生物学性能，被广泛用作细胞培养的基质、组织工程的模板以及药物和细胞递送的载体，但是传统块状水凝胶存在外部尺寸（毫米级及以上）过大、细胞培养周期长、需要手术植入病变或坏死区域，术后创伤大等问题，于是研究人员开发出微米级水凝胶材质的球体颗粒作为替代方案。研究表明，水凝胶微球的悬浮液和颗粒状水凝胶都可用于对生物制剂进行微创递送，即将水凝胶微球溶于溶剂注射到患者组织部位，并且不同水凝胶微球组成具有不同的模块化特性。水凝胶微球既可以作为一种颗粒状水凝胶的聚合体来形成微孔支架以促进细胞的浸润，也可以被嵌入大块水凝胶中构建多级结构材料。水凝胶微球在递送治疗药物、构建组织修复支架和用于3D打印的生物墨水等生物医学领域都有着广阔的应用前景。

杜克大学TatianaSegura教授和宾夕法尼亚大学Jason A. Burdick教授合作综述讨论了目前用于制造水凝胶微球的相关技术以及水凝胶微球体系的多级结构和功能特性；也对水凝胶微球在细胞和药物递送、支架设计和生物制造等领域的应用进行了讨论。相关论文Hydrogel microparticles for biomedical applications近日刊登在Nature Reviews Materials杂志上。

水凝胶微球的常用制作方法可分为批量乳化法、微流控乳液法、光刻法、电喷法和机械破碎法（如图1），并对五种方法进行了介绍和比较。批量乳化法是将不相容的液体混合在一起（例如，水和油）生成可交联的水凝胶液滴；微流控乳液法将载有不相容液体通过微流道连接，在交汇处产生液滴，然后将液滴交联形成水凝胶微球；光刻法是将光聚焦在掩模版或者模具上固化交联形成水凝胶微球；电喷法是在针头和接收液之间加上电压，使施加的电压克服针尖处的表面张力，形成了带电的液滴射流，在接收液中交联形成水凝胶微球；在机械破碎方法中，将预先形成的块状水凝胶通过机械破碎成水凝胶微球。

图1 水凝胶微球的制作方法

批量乳化法的主要优点是制作方法简单、产出效率高，但是同批次水凝胶微球大小不均匀，并且难以控制单个水凝胶微球的成型；微流控乳液法能够较好的控制水凝胶微球的成型过程，生产出具有指定形状的水凝胶微球，但相比于批量乳化法，微流控乳液法生产效率较低；光刻法因为不使用表面活性剂或油相制造水凝胶微球，所以可以很好的用于细胞封装，生产效率受到掩模版、光源和模具的影响；与以上方法相比，电喷法的使用较少，水凝胶微球大小受施加电压、针头直径和聚合物流速等参数影响，电喷法同样可以用于细胞封装；机械破碎法的优势在于生产速度快和具有简便性，但是几乎无法控制单个水凝胶微球的成型。

其次，作者对水凝胶微球的体系进行了分类，根据单个水凝胶微球的特性、水凝胶微球的堆积密度和连续相的性质，水凝胶微球体系分为悬浮液体系、水凝胶颗粒体系和复合体系（如图2）。悬浮液体系指在液体或空气中稀释水凝胶微球，通常作为载体注射细胞或药物；颗粒体系指水凝胶微球颗粒间不能相互移动但存在空隙的状态，常用于构建支架；复合体系指在水凝胶微球颗粒中加入辅助材料。

然后，作者讨论了水凝胶微球体系的特性。水凝胶微球体系具有可注射性，可以使用注射器或导管进行注射；水凝胶微球体系具有异质性，可以通过简单地混合不同类型的水凝胶微球来生产异质性材料；水凝胶微球体系具有间隙空间和孔隙，堆积的水凝胶微球之间存在间隙空间，水凝胶微球颗粒中存在孔隙。

图2 水凝胶微球体系

接着，作者讨论了水凝胶微球在细胞和药物递送、支架构建和生物制造方面的应用。目前水凝胶微球携带细胞递送的热点领域是使用水凝胶微球传递骨髓的基质细胞（BMSC）用来修复骨损伤，研究人员正在探索水凝胶微球作为细胞载体修复软骨组织，已经广泛探索水凝胶微球作为细胞载体促进心脏修复和水凝胶微球携带胰岛细胞治疗糖尿病。

水凝胶微球具有保护、传递和局部释放药物（小分子药物或生长因子）的能力，因此对于药物输送具有广阔的前景。用于药物递送的水凝胶微球设计参数主要有粒径、筛孔大小和水凝胶与药物之间的分子相互作用，较大的水凝胶微球粒径相较于较小的水凝胶微球粒径具有更长的药物释放时间；筛孔大小影响药物扩散的释放曲线；药物与水凝胶之间的分子相互作用则可以延缓药物从水凝胶微球中释放（如图3a）。在药物递送中使用水凝胶微球可以将多种水凝胶微球混合在一起以开发具有多种功能的注射剂。例如，可以将两种不同的药物封装在不同的颗粒群中（如图3b）。

水凝胶微球的药物输送最早应用在外科整形领域，用于持续释放生长因子促进骨和软骨的修复，水凝胶微球也常用于肺部药物输送，水凝胶微球还被用作在微组织内传递生长因子。研究证明，载有白介素-10的水凝胶微球可促进心脏修复，同时也有相应文献证明水凝胶微球可以保护胰岛素在胃中不被降解，患者可由具有局限的注射给药转变为更加方便的口服用药。

图3 水凝胶微球释放药物 a.影响药物从水凝胶微球释放的一般参数是粒径，筛孔大小以及药物与水凝胶之间的分子相互作用b.对于单个水凝胶微球制剂、混合水凝胶微球制剂（可递送多种药物）以及水凝胶微球嵌入大块水凝胶中的药物的释放曲线

图4 水凝胶微球支架的设计及应用

水凝胶微球现已用于生物制造生产复杂生物组织的体外或者可植入模型，同时也能够作为挤出式打印设备的生物墨水。生物制造过程分为生物组装和生物印刷两种情况（如图5），生物组装使用自动组装技术将预先制作好的三维结构进行组装，类似于先制作出拼图的每一张卡片，然后将每一张卡片组装成拼图；生物印刷则是基于挤出或光刻等打印技术构建三维结构，相当于直接打印出整幅拼图。

图5 生物制造中的水凝胶微球 a轨道式微流控生物组件，含细胞的水凝胶微球沿凹槽的微通道进行引导组装b.使用无束缚的微型机器人将水凝胶微球通过磁引导进行二维结构的生物组装 c.声引导水凝胶微球生物组装d. 水凝胶微球制备的生物墨水用于挤出式打印 e.使用水凝胶微球打印的鼻子和耳朵结构f. 水凝胶生物墨水印刷到水凝胶微球的基底中

最后，作者对水凝胶微球的未来进行了展望，认为水凝胶微球在生物医学领域还会有更深层次的发展。在制造方面，继续改进生产技术，提高同批次微球的生产数量和大小一致性，利用单一设备生产不同类型的微球；在材料方面，研发新材料，更好的模仿生物组织的特性；在应用方面，进一步认识水凝胶微球的优势，扩大水凝胶微球的应用领域。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41578-019-0148-6

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