南京大学曹毅教授课题组| 大孔水凝胶的制备方法与应用设计策略

文章背景

水凝胶是由三维聚合物网络构成的高含水软材料，兼具优异的生物相容性、生物降解性以及与细胞外基质(extracellular matrix, ECM)在含水量和力学特性上的高度相似性，已广泛应用于药物递送、细胞培养和组织工程等前沿领域。随着研究的深入，越来越多的证据表明，水凝胶的孔隙结构不仅决定其宏观物理性能，还能在很大程度上调控细胞黏附、迁移、增殖与分化等行为，是构建类组织微环境的关键要素之一。

文章概述

本综述围绕大孔水凝胶的“材料制备方法”与“应用设计策略”两条主线展开，以期阐明大孔结构设计在拓展水凝胶功能性中的核心作用(图1)。前者聚焦于大孔水凝胶的制备原理及孔径、孔隙率、孔间连通性等关键结构参数的调控，这些参数将直接影响细胞渗入效率和组织再生效果；后者则结合典型案例，介绍凝胶模量调控、生物分子修饰以及大孔内部微环境设计等功能化策略，展示大孔水凝胶在不同应用场景下的“结构–功能”协同设计思路及代表性应用成果。

1、大孔水凝胶的制备方法

值得一提的是，当前关于水凝胶制备方法的应用需求主要集中在精度、可控性和大孔拓扑结构等方面。因此较受青睐的制备手段有微流控技术、冷冻铸造技术、全水相分离技术和3D打印技术等。

凭借其微米级大孔结构与高比表面积，大孔水凝胶不仅是优秀的“储存–传输”载体，也是可精细调控细胞行为的三维仿生平台 (图2)。当前的应用设计主要集中在药物递送缓释、三维细胞培养以及组织工程三大领域。通过调节水凝胶模量与孔径、改造孔内微环境、设计孔隙拓扑结构等手段，可针对不同场景实现“结构–功能”一体化优化 (图3)。

图3 大孔水凝胶在组织修复中的应用。(a)水凝胶孔径影响细胞渗入；(b)壳硬化大孔水凝胶；(c)细胞尺度非均质性水凝胶

总结与展望

随着对“孔结构–功能”耦合机制认知的不断深化，大孔水凝胶已从基础多孔支架逐步演化为兼具结构可编程性与生物功能适应性的智能软物质体系，但是当前研究仍面临基础理论与临床转化的双重挑战。未来研究需着力于揭示孔结构形成与演化机理以指导材料可预测设计；通过耦合只能响应模块与大孔拓扑结构，实现对药物递送与细胞行为的时空协同控制；同时引入分子网络–介观结构–宏观性能跨尺度优化策略，加速临床转化进程。

本文为“高分子水凝胶”专题特约稿件，以综述形式发表在《高分子通报》2026年第3期，论文第一作者为南京大学物理学院硕士生郭凯强，通信联系人为曹毅教授和薛斌教授。

引用本文

郭凯强, 薛斌, 曹毅. 大孔水凝胶的制备方法与应用设计策略. 高分子通报, 2026, 39(3), 325-340.

Guo, K. Q.; Xue, B.; Cao, Y. Design and applications of macroporous hydrogels: fabrication strategies and functional implementation. Polym. Bull. (in Chinese), 2026, 39(3), 325-340.