本研究由来自加州大学洛杉矶分校（UCLA）的Donald R. Griffin、Westbrook M. Weaver、Philip Scumpia、Dino Di Carlo和Tatiana Segura等人完成。其中，Donald R. Griffin和Westbrook M. Weaver为共同第一作者，Dino Di Carlo和Tatiana Segura为共同通讯作者。该项研究成果于2015年7月发表在《自然·材料》（*Nature Materials*）期刊上，文章标题为《由退火微砌块组装的可注射微孔凝胶支架加速伤口愈合》（*Accelerated wound healing by injectable microporous gel scaffolds assembled from annealed building blocks*）。
在再生医学领域，可注射水凝胶（Injectable hydrogels）因其能够以微创方式植入并为组织再生提供原位支架而备受关注。然而，传统可注射水凝胶的设计面临一个根本性的物理限制：宿主细胞必须先降解凝胶材料，才能迁移进入并实现组织整合。这就要求材料的降解速率必须与组织再生的速率精确匹配。如果降解过快，将无法提供足够的物理支撑；如果降解过慢，则会阻碍组织长入，甚至引发纤维化。尽管研究者尝试通过改变聚合物主链或交联密度来调节降解速率，但这些方法都未能提供一个不依赖材料降解即可实现细胞浸润和组织整合的稳健途径。
为了根本性地解决这一问题，本研究团队受到传统体外制备的多孔支架（通过致孔剂法）能够促进细胞迁移的启发，开发了一类全新的可注射生物材料——微孔退火颗粒（Microporous Annealed Particle, MAP）凝胶。其核心设计理念是通过“构建块”（building blocks）自组装，形成一个具有稳定交联的、互联微孔网络的支架，使得细胞迁移和组织整合无需等待材料降解即可进行。研究旨在证明，通过微流控技术精确制备单分散微凝胶构建块，并将其退火组装，能够创造出一种兼具可注射性和微孔结构的模块化生物材料，从而在体外实现三维细胞网络的快速形成，并在体内加速皮肤伤口愈合并促进组织结构再生。
该研究的实验流程主要分为构建块制备与支架组装、体外细胞实验、以及体内动物模型验证三个阶段。
阶段一：微凝胶构建块的制备与MAP支架组装
研究采用了一套开创性的“自下而上”策略。首先，利用微流控液滴生成技术，在“油包水”乳液中，将含有多臂聚乙二醇-乙烯基砜（PEG-VS）主链、细胞粘附肽（RGD）和两种转谷氨酰胺酶底物肽（K肽和Q肽）的预聚物水相，精确切割成高度单分散的液滴。液滴内部通过迈克尔加成反应，与含有基质金属蛋白酶（MMP）敏感肽序列的交联剂发生交联，形成微凝胶（μgel）构建块。
通过调节微流控通道的几何结构和流体流速，研究者能够精准控制微凝胶的尺寸（范围30至150微米），且多分散性低。生成速率最高可达约1200赫兹（Hz），约每50分钟可制备100微升预溶胀凝胶。这些微凝胶提取至水相后，在活化凝血因子XIII（FXIIIa）的催化下，其表面的K肽和Q肽之间形成非经典的酰胺键，从而将散落的微凝胶构建块“退火”（annealing）成一个具有互联微孔结构的整体MAP支架。通过调节微凝胶的尺寸和聚合物浓度，可以实现对支架中位孔径（10至35微米）和存储模量（10至1000帕斯卡，Pa）的精确控制。这一过程可在含活细胞的等渗缓冲液中进行，实现细胞与支架的动态混合。
阶段二：体外细胞增殖与网络形成能力评估
为了评估MAP支架支持细胞生长和网络形成的性能，研究者选取了三种人源细胞系进行体外实验：人真皮成纤维细胞（HDF）、人脂肪来源间充质干细胞（AhMSC）和人骨髓来源间充质干细胞（BMhMSC）。将单细胞悬液与微凝胶构建块及FXIIIa混合，在退火过程中将细胞动态包裹入支架内部。
实验采用活/死染色检测细胞存活率，并通过共聚焦显微镜进行长达6天的连续观察，记录细胞形态变化和增殖情况。研究者开发了一套自动图像分析脚本，用于量化支架内的细胞增殖数量。作为对照，化学组成相同但无孔隙的传统块状水凝胶（非多孔凝胶）被用于比较，其特性分别被设定为与MAP支架整体刚度匹配（350 Pa）或与单个微凝胶微观刚度匹配（600 Pa）。
阶段三：体内皮肤伤口愈合模型的验证
研究利用了两个小鼠伤口愈合模型来验证MAP支架的体内性能：无毛SKH1-Hrhr小鼠和BALB/c小鼠。通过在小鼠背部制造标准切除伤口并用橡胶夹板缝合以防止皮肤收缩，研究者模拟了人类创面愈合过程。
核心实验包括将MAP凝胶前体（微凝胶浆液）直接注射至伤口创面，随后原位添加外源性FXIIIa和凝血酶以启动退火。这种原位退火不仅使微凝胶之间相互连接，还与组织内源性的赖氨酸和谷氨酰胺残基形成了“无缝界面”。作为多组对照，研究者同时设置了：（1）化学组成相同的非多孔凝胶双侧对照；（2）无处理对照组；（3）无法退火（无K/Q肽）的微凝胶组；（4）以及通过传统致孔法预制的、形态匹配的多孔凝胶组。在术后1至7天内，通过伤口面积持续拍照、组织学染色（H&E）和免疫荧光染色（Keratin-5、Keratin-14、CD49f、PECAM-1、NG2、PDGFRβ、CD11b）等方法，系统评估了伤口闭合速率、上皮再生情况、新生血管网络形成和免疫炎症反应。
1. MAP支架的体外细胞响应 结果显示，三种细胞系在MAP支架中培养24小时后存活率均大于等于93%。细胞在退火开始后90分钟即表现出铺展形态。至第2天，所有细胞系均展现出完全铺展的形态，并形成了广泛的三维细胞网络，且该网络随着培养时间的延长（至第6天）在规模和复杂性上持续增加。其中，BMhMSC的增殖速度较慢（倍增时间约12天），但其网络扩展最为显著，形成了高度互联的结构。与之形成鲜明对比的是，在相同化学性质或相同力学性质的非多孔凝胶中生长的细胞，虽然能保持活力，但在整个6天培养期内均未表现出任何显著的网络形成。这一结果强烈表明，MAP支架的互联微孔结构是实现快速细胞网络形成的决定性因素。
2. MAP支架在体内的促愈效果与组织整合 在SKH1-Hrhr小鼠模型中，注射后第5天，MAP支架处理组的伤口剩余面积约为60%，显著小于化学性质相同的非多孔凝胶对照组（剩余约100%），表明其能显著加速伤口闭合。在BALB/c小鼠模型为期7天的长期实验中，MAP组实现了39%的伤口闭合，显著高于无处理对照组（19%）和物理特性匹配的非多孔对照组（7%）。值得注意的是，无退火能力的微凝胶组的愈合率仅为10%，这与无处理组无显著差异，而预制的多孔凝胶组也表现出增强的愈合效果（27%）。这一系列结果有力地证实了，通过退火形成的“互联微孔结构”是促进伤口愈合的关键所在，而并非仅仅是微凝胶颗粒的存在。
组织学分析揭示了更深层次的愈合机制。MAP支架在5天后已观察到广泛的上皮再生，Keratin-5阳性的上皮细胞以复层鳞状形态覆盖于支架表面，甚至在支架内部发现了类似发育中的毛囊及相连皮脂腺的结构，以及管状结构和上皮内陷，这些微观结构高度模拟了未损伤皮肤的组织形态。而在非多孔对照组中，未见任何上皮再生迹象。在新生血管形成方面，MAP支架内部检测到大量由内皮细胞（PECAM-1+）和支持性周细胞（NG2+、PDGFRβ+）共定位组成的复杂血管网络，这正是发育中的血管系统的标志。相比之下，非多孔对照组中仅观察到缺乏周细胞支持的单一内皮细胞分支。据作者所知，这是首次在未添加外源性生长因子的合成可注射材料或植入多孔支架中，观察到早期（小于7天）的周细胞迁移。
3. MAP支架调控宿主免疫反应的能力 在术后第1天的免疫反应分析中，H&E染色显示，MAP支架内部含有显著增多的白细胞，而非多孔凝胶对照组则表现为白细胞在凝胶与组织界面处聚集成“屏障”。由皮肤病理医生盲审的量化结果显示，MAP支架内及周围组织的总白细胞数量显著低于同体非多孔对照。第5天的CD11b免疫荧光染色进一步证实，MAP支架内部及其周围组织中，CD11b阳性（髓系炎症细胞标志物）细胞的比例均显著低于对照组，提示MAP支架诱导了持续且较低的炎症反应。这意味着，材料的微观几何结构——而非仅仅是化学组成——在调控宿主异物反应中扮演着未被充分认识的重要角色。
综合结果逻辑：体外实验证明MAP支架的互联微孔网络促成了空前的细胞迁移和网络形成速度。这一物理特性在体内则转化为三个相互关联的优势：（1）为细胞快速迁移提供“高速公路”，导致更早的上皮覆盖和组织向内生长；（2）引导了包括内皮细胞和周细胞在内的多种细胞类型的有序共组装，形成功能性脉管系统；（3）通过允许炎症细胞高效浸润而非在表面聚集，降低了局部的慢性炎症刺激，创造了更利于再生的微环境。这三者协同作用，最终实现了远优于传统无孔凝胶的伤口愈合速率和组织再生质量。
本研究成功创建并验证了一类名为“微孔退火颗粒（MAP）支架”的新型可注射生物材料。其核心结论在于，通过“稳健实现的不完美自组装”而形成的互联微孔结构，彻底改变了以往需要材料先降解、细胞后长入的范式，实现了材料降解与组织生长在空间上的解耦，使得细胞可以在不降解材料的情况下即刻迁移并整合。这一设计哲学上的转变，为可注射支架的设计提供了全新思路。
在应用价值上，MAP支架展现了作为模块化平台的巨大潜力。其微流控制备策略类似于“即插即用”系统，可以轻松整合现有成熟材料（如纤维蛋白、透明质酸）、信号分子（如生长因子）和细胞群（如干细胞），通过定制构建块的化学和物理性质，以适应不同组织（如神经、心脏、皮肤）的再生需求。研究证明，仅凭支架的物理特性即可有效促进皮肤及其附属器和复杂血管网络的原位再生，这为未来开发更高效、更简单的组织修复产品提供了理论基础和技术原型。
本研究的核心亮点体现在三个方面： 1. 概念创新性：首次提出了利用构建块退火过程中自然形成的负空间（即孔隙）作为细胞生长的“预存”通道，从根本上解决了可注射材料内部细胞浸润必然依赖于材料降解的百年难题。 2. 技术可控性：利用微流控技术实现了对构建块尺寸、力学性能及最终支架孔径的精确、独立调控，这种“物理+化学”的双重定制能力为研究细胞-材料相互作用提供了强大的工具。 3. 生物学意义重大：在体内无外源生长因子的苛刻条件下，首次观察到注射材料内部早期功能性血管网络（内皮细胞+周细胞）和皮肤附属器结构的形成，并揭示了材料微观几何结构可独立调控免疫炎症反应，为下一代免疫调节生物材料的设计指明了新方向。