水凝胶微球赋能器官芯片系统：创新与应用

作者：Jiacheng Liu, Chengcheng Du, Jinping Chen, Bochen Tang, Senrui Liu, Jianye Tan, Xuefeng Luo, Jingdi Zhan, Junyan Liu, Zhuolin Chen, Yichi Zhang, Zhong Alan Li, Wei Huang, Yiting Lei

期刊：Small, 2025年发表

本文是一篇综述论文，系统阐述了水凝胶微球（hydrogel microspheres, HMs）在器官芯片（organ-on-a-chip, OOC）系统中的集成策略、材料与制备方法以及最新应用进展，并展望了“智能”水凝胶微球在先进器官芯片系统中的发展方向。文章由重庆医科大学第一附属医院骨科、重庆市肌肉骨骼再生与转化医学重点实验室以及香港中文大学生物医学工程系的研究团队共同完成。

一、研究背景与目的

器官芯片是一种利用微流控技术在体外模拟人体器官微生理环境的平台，能够重建组织结构、力学微环境和生化信号传导。自2010年哈佛大学Wyss研究所首次报道具有呼吸运动的“肺芯片”以来，OOC技术已从二维静态培养发展为三维动态仿生模型，广泛应用于生理与疾病建模、药物开发与筛选以及个性化医疗。然而，目前多数OOC模型缺乏功能性血管网络、神经支配和免疫细胞浸润，且难以完全复制人体组织细胞外基质（extracellular matrix, ECM）的力学与生化特性，这些技术瓶颈限制了其对动物实验的全面替代。

水凝胶微球是由亲水性聚合物链交联形成的三维网络结构微小球形颗粒，具有优异的生物相容性和可调控的物理化学性质（如孔径、刚度、降解速率）。与传统块状水凝胶相比，HMs具有更高的比表面积和更均匀的细胞分布，且球形形态与微流控平台高度兼容，能够实现高通量、模块化培养。HMs可以模拟ECM的结构与功能，为细胞生长提供三维环境，并通过化学组成和物理性质的调控模拟不同组织微环境，因而被认为是优化OOC系统的理想材料。本综述旨在系统介绍OOC系统的概念、特征与制备策略，讨论HM的制备材料与方法，梳理HM整合入OOC的现有策略，并详细总结HMs在OOC中的应用现状。

二、器官芯片系统的核心要素

OOC的构建是一个高度跨学科的复杂过程，其核心组成主要包括循环系统、芯片制备材料与技术、细胞来源、生物微环境模拟和检测系统。

在循环系统方面，OOC实现细胞、组织和器官间交互的循环策略主要分为单回路灌注和再循环两种模式。单回路灌注将多个腔室串联或并联形成单向流动系统，适用于模拟药物代谢物的级联效应或免疫细胞与靶组织的直接相互作用，但无法模拟上游反馈机制。再循环策略通过培养基回收和再利用模拟真实血液循环的动态闭环，不仅支持代谢物的多次循环利用，还能通过独立腔室循环实现组织特异性培养。Oleaga等人开发的四器官芯片和Maschmeyer等人设计的四器官芯片分别展示了再循环策略在多器官整合中的优势，后者在至少28天的连续培养中建立了可重复的稳定状态。

在制备材料方面，OOC构建主要使用聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate, PMMA）、聚碳酸酯（polycarbonate, PC）和环烯烃共聚物（cyclic olefin copolymer, COC）。PDMS因其高透明度、透气性和可调弹性成为主流选择，但疏水性导致的蛋白吸附问题需要通过氧等离子体处理或聚乙二醇涂层改性来解决。PMMA具有高光学透明度和低自发荧光，PC具有高机械强度和热稳定性，COC则具有优异的光学性能和低吸水性。

在制备技术方面，软光刻技术自1998年首次报道以来一直是微流控器件制造中最广泛采用的策略之一，其标准流程包括光掩模设计与制造、基底准备、光刻胶旋涂、软烘、紫外曝光、显影和清洗等步骤。生物打印技术则通过逐层沉积含细胞、生长因子和生物材料的生物墨水来构建三维类器官结构，其核心技术包括挤出式、光固化和喷墨式三种类型，各具不同的分辨率、细胞密度适用范围和优缺点。

在细胞来源方面，OOC使用原代细胞、干细胞、永生化细胞系和基因编辑细胞，需要根据研究目标进行合理选择。原代细胞因高度保留原始组织的基因表达谱和功能特征而成为构建高保真模型的基础，但扩增能力有限且异质性高。干细胞包括诱导多能干细胞、胚胎干细胞和成体干细胞，为疾病建模和个性化医疗提供动态细胞资源。

在生物微环境模拟方面，生化微环境涉及分子浓度梯度、代谢平衡网络和信号系统，力学微环境则包括基质刚度调控、流体剪切力加载和动态机械应力等核心要素。在检测系统方面，常用方法包括荧光检测、电化学检测和微阵列技术。

三、水凝胶微球的制备材料

HMs的制备材料分为天然材料和合成材料两大类。常用天然材料包括海藻酸盐、壳聚糖、透明质酸、胶原、丝素蛋白、纤维素、琼脂糖和明胶。海藻酸盐通过二价阳离子室温交联，避免了对生物活性成分的热损伤或有机溶剂损伤，但力学强度低且缺乏细胞黏附基序。壳聚糖具有广谱抗菌性，但在中性环境中降解快且纯态力学强度低。透明质酸具有优异的亲水性和ECM模拟能力，但易被透明质酸酶降解且力学稳定性差。胶原作为天然ECM成分促进细胞黏附和增殖，明胶含有RGD序列增强细胞黏附。

常用合成材料包括聚乙二醇（polyethylene glycol, PEG）、聚乙烯醇（polyvinyl alcohol, PVA）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（poly lactic-co-glycolic acid, PLGA）和聚N-异丙基丙烯酰胺（poly(N-isopropylacrylamide), PNIPAM）。PEG具有优异的生物相容性和可修饰性，但生物活性低。PVA具有高力学强度和优异的生物相容性，但热稳定性差。PLGA的降解周期可通过单体比例精确调控，但酸性降解产物可能引起局部炎症。PNIPAM具有约32°C的低临界溶解温度，表现出温度响应性可逆溶胀-收缩行为，但生物降解性差。

四、水凝胶微球的制备技术

HMs的制备技术包括微流控技术、气动微流控技术、电流体动力学喷雾、光刻技术、3D打印技术、批量乳液技术和机械破碎技术。微流控技术通过微通道精确控制流体流动生成单分散液滴，实现微球尺寸和形状的精确控制，但设备成本高且产率较低。气动微流控利用气流诱导剪切力分散液体，适合短时间大规模生产单分散微球。电流体动力学喷雾利用高压电场雾化聚合物溶液，适用于制备PLGA等合成材料的载药微球，但可能损伤生物活性物质。光刻技术通过紫外光照射光敏材料和掩模图案化实现微米级精度的微球阵列制备。3D生物打印将活细胞、生物活性分子和水凝胶基生物墨水整合，实现具有生物功能的三维组织结构体外构建。批量乳液法成本低廉且适合规模化生产，但微球粒径分布不均匀。机械破碎法操作简单快速，但粒径分布宽且均匀性控制有限。

五、水凝胶微球在器官芯片中的集成策略

HMs整合入OOC系统的常用策略主要分为“由外向内”策略和“原位形成”策略。“由外向内”策略是最常用和最简单的方法，首先制备功能化HMs（如负载靶细胞、蛋白质或治疗剂的HMs），然后通过OOC的微通道将其引入芯片微系统。该策略的优势在于HMs的制备与芯片制造相互独立，可实现模块化操作和质量控制，但微球在芯片内的空间定位精度有限。

“原位形成”策略则是在芯片内部直接生成HMs，通过微流控液滴生成、光交联或离子交联等手段在芯片通道内原位形成水凝胶微球，从而实现更精确的空间定位和更高的集成度。该策略能够避免微球转移过程中的损耗和损伤，但操作复杂度更高，对芯片设计和流体控制提出了更严格的要求。

六、总结与展望

本文系统综述了HMs赋能OOC系统的最新进展，从OOC的概念、特征和制备策略出发，详细梳理了HMs的制备材料和制备技术，总结了HMs整合入OOC的两类主要策略。HMs凭借其优异的生物相容性、可调控的物理化学性质、模块化和可注射性等优势，能够模拟ECM的结构与功能，为细胞提供三维微环境，弥补传统OOC系统缺乏生化和生物物理信号的不足，推动了OOC技术的发展。未来，开发具有刺激响应能力的“智能”水凝胶微球，以及实现局部再循环与全局单回路融合的循环策略，将有望突破现有瓶颈，推动器官芯片系统向更高的仿生性和系统性迈进，加速其在药物开发、疾病建模和个性化医疗中的转化应用。