1. 简介

水凝胶微球在再生医学和组织工程中具有重要应用，可作为细胞、药物、生长因子的载体、3D 打印生物墨水及医疗设备组件。其抗菌和抗炎特性有助于治疗受损组织，但需通过改性优化生物特性以适应不同生理环境，并采用特定制备方法实现定制化（如不同形状和尺寸）。本文综述了生物活性水凝胶微球在生物医学应用中的进展，包括合成方法、制造工艺、生物功能增强策略及其在组织修复中的作用。

2. 水凝胶微球合成与改性中常用的聚合物

常用聚合物分为天然与合成两类。天然的如藻酸盐、透明质酸、明胶、壳聚糖和纤维素，合成的有聚乙二醇、聚丙烯酸及其衍生物等。对这些聚合物可进行化学改性，像酯化、醚化等，引入双键等活性基团，通过交联反应形成稳定网络结构，交联方法包括动态和非动态交联。不同水凝胶微球有各自改性方式，如藻酸盐氧化改性增强生物相容性，透明质酸甲基丙烯酰化提升抗降解能力等。

水凝胶前体聚合物常见官能团的修饰及水凝胶交联共价键的分类。

3. 水凝胶微球的制备

制备方法多样。间歇乳化技术将油相和水凝胶前驱液混合形成液滴后交联，操作简单但微球尺寸不均；微流体乳化技术基于微流控装置形成单分散液滴再交联，尺寸均一性好但设备要求高；光刻利用光选择性固化水凝胶前驱液，分辨率高但效率低；电流体动力喷雾方法靠静电驱动前驱液成液滴并交联，包封效率高但单分散性差；3D 打印以水凝胶前驱液为生物墨水，可高精度定制微球结构，但制备时间长且设备复杂。

水凝胶微球的制备方法。

4. 水凝胶微球的生物活性策略 水凝胶微球比本体水凝胶更适合注射，并且具有生物相容性和可生物降解性。水凝胶微球还具有多孔性，扩散速率快，含水量高，适合负载生物活性物质。由于这些特性，水凝胶微球在再生医学和组织工程领域具有巨大的潜力。例如，水凝胶微球非常适合负载药物和核酸小分子，并在再生医学和组织工程中保持细胞的生物活性。 4.1 载细胞水凝胶微球

细胞负载方式有表面吸附和内部包封。表面吸附细胞活性高但密度低，内部包封虽能实现较高细胞密度，不过凝胶化过程可能损伤细胞。当前面临细胞分布不均与释放控制难的问题，借助响应性水凝胶（如 pH、光响应）或微流控技术可加以改善。比如，通过设计pH 响应性水凝胶微球，使其在特定生理 pH 环境下释放细胞，能更好地控制细胞释放时机与位置。

水凝胶微球载细胞。

4.2 负载生长因子的水凝胶微球

生长因子与水凝胶微球结合方式多样，物理吸附依靠离子相互作用，化学偶联可通过硫醇 - 烯反应等，还有生物结合如纤连蛋白与 VEGF 结合。难点在于保留生长因子活性并实现控释，利用纳米颗粒包埋（如介孔二氧化硅）能达成双因子协同释放。有研究将 VEGF 和 BMP - 2 分别包埋于不同纳米颗粒后负载到水凝胶微球，实现两种生长因子在不同时间段有序释放，更有效地促进组织修复。

水凝胶微球与生长因子的结合。

4.3 载有化学药物的水凝胶微球

化学药物负载策略包含物理包埋、离子相互作用或化学偶联，通过核 - 壳结构或响应性网络延缓释放。例如双层层状微球可实现结肠靶向释药，硼酸酯键能响应葡萄糖控释药物。针对糖尿病治疗，设计对血糖浓度敏感的硼酸酯键连接药物与水凝胶微球，当血糖升高时，硼酸酯键水解，药物释放以降低血糖。

药物与水凝胶微球的结合模式。

4.4 载纳米颗粒或纳米酶的水凝胶微球

结合方法有混合前驱液共交联、表面修饰后共价偶联（如 PDA 涂层增强负载）。纳米酶（如 MnO₂）可清除 ROS，光热纳米颗粒（如黑磷）用于抗菌治疗。如将 MnO₂纳米酶负载到水凝胶微球，在炎症部位可有效清除过量ROS，减轻炎症反应。

负载纳米颗粒 (NP) 的水凝胶微球。

4.5 负载核酸的水凝胶微球

核酸递送面临核酸酶降解与细胞穿透难题，正电荷纳米颗粒吸附或 DNA 自组装水凝胶可保护核酸。有研究通过微流控制备 DNA 捕获微球，能有效清除 cfDNA，进而抑制慢性炎症。

核酸负载于水凝胶微球。

4.6 载微生物水凝胶微球

封装微生物（如益生菌）可保护其活性，通过分泌代谢物（如乳酸）抑制致病菌。采用原位培养法能提升细菌负载效率，基因工程菌结合光响应释放 ROS 抗菌。如构建光响应的载基因工程菌水凝胶微球，在光照下，基因工程菌释放 ROS，对特定致病菌起到杀伤作用。

负载于水凝胶微球上的细菌。

4.7 负载活性肽的水凝胶微球

活性肽（如抗菌肽 PAGAP）在伤口愈合等方面有应用潜力，但需解决稳定性与控释问题。可通过与水凝胶微球形成特定化学键或利用响应性机制来实现活性肽的稳定负载与可控释放。

5. 水凝胶微球在再生医学和组织工程中的作用机制 由于伤口部位微环境的变化，包括细胞外基质（ECM）的丢失、过度炎症、血管生成受损以及细菌感染，组织修复往往具有挑战性。
水凝胶微球在组织再生领域显示出巨大的潜力。首先，水凝胶与ECM类似，可以渗入伤口，促进细胞迁移和增殖。其次，水凝胶微球具有生物相容性，与组织结合良好，增强生物活性。第三，水凝胶微球在负载细胞、小分子药物和纳米颗粒（NP）后表现出抗菌和血管生成特性。水凝胶微球还可以作为生物打印墨水，利用3D打印技术打印类器官。

水凝胶微球在再生医学和组织工程中的生物学机制。
5.1 抗菌应用

水凝胶微球可通过多种方式抗菌。负载银离子、抗菌肽或光热纳米材料（如黑磷）能直接杀菌；借助 ROS生成系统（如葡萄糖氧化酶 + CuO₂），在特定条件下产生 ROS 清除细菌。在伤口感染治疗中，负载银离子的水凝胶微球能持续释放银离子，破坏细菌细胞膜，达到长效抗菌效果。

5.2 促进血管生成和胶原沉积

关键在于释放 VEGF、BMP - 2 等生长因子，或通过微量元素（如 Ce³⁺）促进内皮细胞分化与矿化。如负载 VEGF 的水凝胶微球植入体内后，持续释放 VEGF，吸引内皮细胞迁移、增殖，促进新血管生成。

5.3 气体疗法

功能气体发挥重要作用，O₂纳米气泡可缓解伤口缺氧，NO 促进血管舒张，H₂S 抗炎促进脊髓修复。在心肌梗死治疗中，注射含 O₂纳米气泡的水凝胶微球，能改善梗死区缺氧状况，为心肌细胞存活提供更好环境。

5.4 光热疗法

近红外光照射下，光热纳米颗粒（如 Cu - PDA NPs）产热杀菌或消融肿瘤，同时释放药物协同治疗。针对肿瘤治疗，利用光热疗法，在杀死肿瘤细胞的同时，使水凝胶微球中负载的化疗药物释放，增强治疗效果。

5.5 炎症的治疗

调控策略包括 ROS 响应性微球消耗过量 ROS（如 Au@Pt NPs 催化 H₂O₂分解），或释放抗炎因子（如 IL - 10）抑制炎症级联反应。在关节炎治疗中，注射能释放 IL - 10 的水凝胶微球，可减轻关节炎症，缓解疼痛。

6. 生物活性微球的潜在应用 水凝胶微球具有诸多优势，包括良好的生物相容性和可降解性。此外，水凝胶微球的尺寸和形状可以调节，而本体水凝胶则无法调节。如前所述，通过选择性地引入生理活性微球（例如生物活性因子和细胞），水凝胶微球的应用得到了显著提升。本节将介绍生物活性微球在伤口修复、骨修复、软骨修复、角膜修复和心肌修复中的应用。 6.1 伤口修复

在糖尿病伤口、慢性创伤治疗中，生物活性微球优势显著。抗菌、促血管生成微球加速愈合，像 GelMA - 银离子微球联合生长因子释放，既能抗菌又能促进血管新生和细胞增殖，加快伤口愈合进程。

水凝胶微球在伤口修复中的应用。

6.2 骨修复

负载 BMP - 2 的微球与 3D 打印支架结合，或氧释放微球缓解骨缺损区缺氧，促进间充质干细胞成骨分化。在骨缺损修复手术中，将负载 BMP - 2 微球的 3D 打印支架植入骨缺损部位，可有效促进新骨形成。

水凝胶微球在骨修复中的应用。

6.3 软骨修复

微流控制备双功能微球，同时促进软骨细胞分化与骨基质形成，或压电纳米颗粒修饰微球响应机械刺激促进软骨再生。针对软骨损伤，采用微流控制备的双功能微球，能在关节腔环境中更好地发挥促进软骨修复的作用。

示意图及材料特性。

6.4 角膜修复

透明质酸或明胶微球封装干细胞，用于角膜上皮重建，如胶原膜负载微球加速碱烧伤角膜愈合。在角膜损伤治疗中，将载有干细胞的明胶微球与胶原膜结合，移植到受损角膜部位，促进角膜上皮细胞再生。

Dox-HCM/Col 示意图，通过将 Dox-HCM 加载到 Col 中，控制 Dox 的释放，促进碱烧伤角膜的早期重建。

6.5 心肌修复

载干细胞微球与导电水凝胶结合，改善心肌梗死区电传导，或细胞外囊泡负载微球促进血管新生。在心肌梗死治疗研究中，通过注射载干细胞微球与导电水凝胶的复合物，改善心肌细胞的电生理环境，促进心肌修复。

用于治疗心肌梗死的水凝胶微球。

7. 未来与不足

现存问题包括微球尺寸精准控制（临床适用直径 20–200 μm ）与大规模生产效率低；药物突释与长效控释难以平衡；机械强度与多孔结构存在矛盾，以及材料细胞毒性风险。未来发展方向聚焦多响应性智能微球（如 pH / 温度 / 光多重响应）；仿生微球模拟细胞外基质微环境；微球 - 器官芯片联用推动转化医学研究。

参考文献： http://doi.org/10.1002/smll.202570192