在光交联水凝胶的制备中，氧气常常被视为一个“捣乱者”——它会淬灭自由基，阻碍交联反应的进行。然而，德国亚琛工业大学的Andrij Pich教授团队却在最近发表于Advanced Materials的工作中反其道而行之：他们有意利用氧气对光交联的抑制效应，在微流控液滴内构建了具有截然不同核壳结构的葡聚糖（dextran）微凝胶。这些微凝胶的壳层交联度极低，挤出打印后能自发融合稳定，无需任何额外交联剂或支撑浴，即可构建毫米级组织支架。这项工作为生物基微凝胶材料的精密结构设计提供了一条全新的思路。

问题：微凝胶3D打印为何需要“胶水”？

微凝胶是三维交联的高分子胶体颗粒，因其多孔结构能够吸收和保留大量水分，在药物递送、组织工程等领域具有重要应用价值。近年来，将微凝胶作为颗粒状“墨水”用于3D挤出打印，构建具有贯通孔隙的组织支架，成为生物制造领域的研究热点。然而，要实现打印后结构的自稳定，通常面临着两难选择：要么在打印后进行二次紫外交联来“焊接”颗粒，但这可能对已包裹的细胞造成损伤；要么借助支撑浴来维持形状，但这增加了系统的复杂性并限制了可打印的几何结构。

一个更优的解决方案是：如果微凝胶本身自带一层“软壳”，打印后这层软壳能自发地与相邻颗粒融合，岂不是可以实现自稳定？关键在于如何在同一种材料、同一个步骤中，精确构建出内核坚硬、外壳柔软的核壳结构。

思路：氧气梯度的巧妙利用

这项研究的核心灵感来源于一个基本的物理化学现象：自由基光聚合对氧气极其敏感。在紫外光引发交联过程中，氧气分子会与碳中心自由基反应，生成过氧自由基，从而将高反应活性的链增长自由基转化为低效的 propagation 物种，显著抑制交联网络的构建。

研究团队注意到，在微流控产生的液滴中，氧气主要从外围的氟化油相向内部扩散，形成一个由外向内递减的氧浓度梯度。这意味着：液滴外层的自由基被大量淬灭，交联受阻；而液滴内部的氧气浓度较低，交联能够较为充分地进行。通过精确调控光引发剂浓度和氧气可用性，就能在同一液滴内自然形成交联度截然不同的两个区域——高交联的核和低交联的壳。

核心创新点：将氧气从“干扰因素”转变为“结构设计工具”。无需复杂的双重乳液模板或多相体系，仅通过调控单一水相液滴中的氧气扩散-反应平衡，即可实现核壳结构的精准构建。

图1 | 微流控装置及核壳微凝胶形成机理示意图。 水相为含 Dex-MA 和 LAP 的水溶液，连续相为 FluoSurf 氟化油。（a）离开芯片批量交联与（b）管上连续交联两种工艺路线。（c）液滴内氧气浓度梯度驱动核壳分区形成的原理。

合成：两个旋钮，精细调控

研究团队采用了一种标准的、简单的液滴微流控芯片来生成单分散的甲基丙烯酐化葡聚糖（Dex-MA）液滴，随后通过紫外光照射实现交联。核壳形态的可调控性主要通过两个参数来实现。

旋钮一：光引发剂（LAP）浓度。当LAP浓度从10 g/L降低到0.75 g/L时，核壳程度参数CS值从0.12显著增加至0.51。LAP浓度越低，产生的自由基越少，氧气的抑制效应相对更强，壳层越厚、核越小。但LAP浓度低于0.5 g/L时，壳层过于松散，无法在纯化后保持结构完整。

旋钮二：气氛中的氧含量。研究通过向氟化油中通入纯氧或纯氩气来调节溶解氧浓度。当使用1 g/L LAP、通入纯氧时，油相中的溶解氧达到43.15 mg/L，CS值高达0.72，壳层极厚；而通入氩气后，溶解氧降至0.97 mg/L，CS值仅为0.34。值得注意的是，高氧条件下制备的微凝胶因壳层过于柔软，在接触时甚至会发生非球形形变，直观地反映了壳层的超低交联特性。

图2 | 不同条件下制备的核壳微凝胶。（b）不同LAP浓度下的明场显微镜图像（标尺100 μm）。（c）核径、总径及CS值随LAP浓度的变化关系。（d）通氧、对照、通氩三种气氛条件下的微凝胶形貌对比，白色箭头指示微凝胶接触界面的形变。

核壳微凝胶最独特的地方在于，其壳层并非一个均匀的低交联区域，而是存在一个径向交联梯度。这一点通过多尺度的表征手段得到了证实。

研究团队将微凝胶分别浸泡在不同分子量的FITC-葡聚糖溶液（4、40、150、250 kDa，对应流体力学半径约1.3至15.9 nm）中，通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察荧光强度分布。结果显示，4 kDa的小分子可以均匀分布在壳层中直至核心边界，而150和250 kDa的大分子则在壳层内呈现明显的荧光强度梯度——越靠近核心，荧光越弱。这直接证明了壳层内部的交联密度并非均一，而是由外向内逐渐增加，形成了一个连续的梯度网络结构。

图3 | 微凝胶核壳渗透性表征。（a）LAP浓度 1 g L⁻¹ 合成的微凝胶在不同分子量FITC-葡聚糖中的荧光共聚焦图像。（b）荧光强度剖面线，揭示壳层内径向交联梯度。（c）FRAP光漂白恢复实验图像与拟合曲线。（d）不同分子量FITC-葡聚糖在各区域中的扩散系数。

荧光光漂白恢复（FRAP）实验进一步定量揭示了这种差异。以4 kDa FITC-葡聚糖为例，其在纯溶液中的扩散系数为125.77 μm²/s，在壳层中为73.36 μm²/s（接近溶液自由扩散），而在核心中仅为16.39 μm²/s。壳层与核心的扩散系数相差约4.5倍，这有力地证明了壳层的超低交联特性赋予了其远高于内核的大分子通透性。

更为精巧的是，研究团队还利用氢质子横向弛豫（T₂）NMR技术来区分核壳区域。在高交联区域，聚合物链的运动自由度受限，T₂弛豫时间较短；而在低交联区域，链运动更为自由，T₂弛豫时间更长。CPMG衰减曲线拟合结果清晰地展现出两个截然不同的T₂组分：短T₂（约3.97-4.70 ms）对应核心，长T₂（约21.0-28.5 ms）对应壳层，两者差异达6倍以上。更有意思的是，当改变紫外照射时间（从5秒到77秒）时，核心的T₂几乎不变，而壳层的T₂随照射时间延长明显缩短。这说明核和壳的交联密度可以被独立调控，核的交联在极短时间内即完成，而壳层则对光照时间更为敏感。

图4 | T₂弛豫NMR表征核壳交联密度差异。（a）不同UV照射时间（5 s与77 s）下的CPMG衰减曲线与T₂弛豫时间。（b）添加Cu²+前后的T₂变化，验证长T₂组分对应壳层。（c）不同LAP浓度与照射时间下的对比。

应用：微凝胶挤出即成型

这些具有超软壳层的核壳微凝胶在3D打印中展现了独特的优势。将浓缩的微凝胶悬浮液填充到打印料筒中，微凝胶在挤出过程中形成紧密堆积的“阻塞”（jammed）状态。流变学测试证实，这种浓缩悬浮液具有良好的剪切变稀行为和快速的应变恢复能力——在90%的大应变与1%的小应变交替作用下，体系的模量能够迅速恢复，满足了挤出打印的基本要求。

打印的关键优势在于后处理步骤的简化。打印完成后，只需经过干燥和重新溶胀两个步骤，微凝胶的超低交联壳层便会通过物理链缠结实现颗粒间的自发融合（annealing），形成稳定的3D结构。整个过程不需要任何额外的化学交联剂、引发剂或紫外照射。所构建的支架在PBS和细胞培养基中浸泡数天后仍能保持结构完整，甚至可以用镊子直接夹取而不断裂。

图5 | 核壳微凝胶作为3D打印生物墨水的性能表征。（a, b）流变学测试：剪切变稀行为与应变恢复能力。（c, d）不同喷嘴尺寸和挤出速率下的丝材保真度。（e）干燥-溶胀退火后的微凝胶丝材。（f）镊子夹取打印结构演示结构完整性。（g-o）不同几何形状的打印结构及微观形貌。（p, q）细胞在打印结构上的共聚焦图像。

在细胞相容性方面，正常人皮肤成纤维细胞（NHDF）与单个微凝胶共培养1天和3天的存活率分别达到97.6%和98.8%，未观察到细胞毒性。更有意义的是，将NHDF接种到打印的支架上进行4天培养后，共聚焦z-stack成像揭示细胞能够深入支架内部，最大浸润深度达到约265 μm，细胞在支架内展现出明显的伸展形态和活跃的黏附行为，而非简单的被动沉降。

图6 | NHDF细胞在3D打印核壳微凝胶支架中的浸润。（a）正交XZ投影显示鬼笔环肽染色的细胞（绿色）和DAPI染色的细胞核（蓝色），揭示细胞深入支架内部。（b）最大浸润深度的定量分析（n=5）。（c,d）3D体积渲染，分别从顶部和底部观察细胞在支架孔隙网络中的分布。

一个值得关注的细节是，壳层在生理条件下（pH 7.4）会随时间发生渐进性的水解侵蚀。这意味着打印支架的内部孔隙率可能会随着培养时间的延长而动态增加，为细胞的持续迁移和组织整合提供更多的空间。这一特性区别于具有静态结构的刚性微凝胶网络，暗示了该体系在构建动态适配性组织工程支架方面的潜力。

总结与展望

这项工作的意义不仅在于提出了一种制备核壳微凝胶的新方法，更在于它展示了一种以过程控制替代复杂体系设计的材料工程思路。传统上，制备核壳微凝胶通常需要双乳液微流控、相分离诱导等多步骤、多相体系，而本研究仅通过单一水相液滴中氧气扩散与自由基消耗之间的动态平衡，就实现了核壳结构的精确构建。这种“少即是多”的设计哲学，在生物材料领域具有广泛的借鉴意义。

从应用层面看，这些核壳微凝胶兼具了生物相容性、可调控的降解行为、自融合打印能力以及支持细胞浸润的多孔结构，为3D生物打印提供了一类极具前景的候选材料。研究团队也指出，这一氧气调控光聚合的概念并不局限于葡聚糖，原则上可推广至其他丙烯酰化或甲基丙烯酰化水凝胶体系，为设计层次化软物质材料开辟了新的途径。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202519972

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