组织工程结合材料、细胞及信号分子用于组织/器官修复、改善或治疗疾病显示出具有巨大潜力。干细胞具有多种分化能力,常被选择作为种子细胞。基于干细胞的组织工程技术从实验室研究到临床应用转化还存在以下挑战,例如细胞在受损或病变区域的保留和功能化,细胞运送过程中对细胞的保护,细胞载体材料的限制等。水凝胶（Hydrogels）具有富含水的聚合物网络,模拟细胞外基质（Extracellular matrix,ECM）作为细胞递送载体,可构建工程化组织。微米尺寸的水凝胶,也称为微凝胶（Microgels）,能够精确构建复杂的细胞三维微环境,维持细胞的活力和功能,保护细胞免受环境胁迫,成为体内外指导细胞命运的强有力工具。与传统大尺寸凝胶（Bulk gels）相比较,微凝胶具有较大比表面积,内外传质距离短,可注射性等优势。液滴微流控技术（Droplet microfluidics）在微尺度上对多种流体进行精细控制,能精确制造可调结构和成分的微凝胶,也可将细胞高效地封装在微凝胶中。载细胞微凝胶:①作为细胞载体用于细胞培养和细胞移植;②作为可注射填充材料用于组织再生;③作为模块单元通过自下而上的模块化组织工程构建仿生组织等多种应用,在再生医学领域展现出巨大潜力。本文首先开发了一种用于干细胞（MSCs）固载的连续液滴微流控制备技术,可实现连续快速制造载细胞微凝胶。该方法将活细胞封装、聚合物凝胶化以及液滴破乳在一个制造过程完成,不仅实现单细胞水平的细胞封装,同时又保持封装细胞的存活和功能。值得注意的是,在单细胞水平上观测海藻酸微凝胶中的MSCs,在诱导7天后出现明显的成骨分化,并促进微凝胶矿化。此外,大鼠胫骨消融模型的载细胞海藻酸微凝胶治疗组新骨量最高（骨小梁与组织的体积比RBV值为0.34±0.056）。该研究表明,海藻酸微凝胶可为干细胞提供三维微环境,并诱导成骨分化,作为骨填充材料可以促进骨再生。该连续微流控技术可进一步用于生物活性物质的固载,实现连续、高效的生物医用微载体制备。连续液滴微流控技术已成为各种生物医学应用的强大平台,包括微反应器、生物活性化合物封装、单细胞培养和分析,所有这些都需要液滴的长期稳定性,然而,这也让液滴破乳后回收样品变得困难。为此,我们开发了一种新型的温敏性氟碳表面活性剂,可以简单地通过温度来控制液滴的稳定性。该表面活性剂是将全氟聚醚（PFPE）与聚N-异丙基丙烯酰胺（pNIPAM）共价连接而成。通过微调环境温度低于或高于pNIPAM的低临界溶解温度（LCST,32℃）,改变pNIPAM的亲疏水性,进而改变表面活性剂的性能,可以实现液滴的稳定性或聚结。该温敏性表面活性剂被证明具有较好的生物相容性,为微胶囊化和液滴内反应产物的按需回收提供便利。同时为液滴微流控技术的广泛应用开辟了新的途径。光交联水凝胶是应用最广泛的生物材料,可结合微制造技术进行细胞封装。然而,由于氧对自由基聚合的抑制作用,使得光交联凝胶制造精度受限,从而影响凝胶网络的均匀性。为此,开发了一种由明胶和透明质酸组成的光触发亚胺交联的水凝胶,交联时间小于5s。这种新型聚合方案显著缓解了氧阻聚,提高了微凝胶的网络均匀性和机械强度,使工程化细胞微环境更加精确。将该光交联水凝胶与集成微流控技术结合提高微凝胶生成效率（处理通量为3.2 mL/hr）。这些微凝胶形成的颗粒凝胶（Granular hydrogels）颗粒间具有很强粘结力（屈服应变达200%）,具有剪切变稀和自愈合的流变性质,可用于可注射和可塑形的细胞化组织工程支架。8周后,载细胞凝胶注射到股骨髁的骨缺损中,新生骨形成量最高。模块化组织工程,即借助模块单元自下而上地制造具有特定微结构特征的功能性组织。本研究基于微流控技术制备细胞微凝胶作为基本模块单元,结合3D打印技术制造仿生组织/器官。微凝胶能够在单细胞水平进行ECM设计加工,提供更精确的胞外三维微环境。基于以上工作基础,开发出更高通量的微流控集成化芯片（处理通量为6.4 mL/hr）,突破载细胞微凝胶规模化制备难题,可短时间内生产出满足用于打印的载细胞微凝胶墨水。该墨水能够实现多种生物功能结构的制造,并且能够钙交联实现结构的稳定性（压缩模量14.11±1.28kPa）。此外,该打印结构应用于骨再生,体外研究表明干细胞诱导3天后发生明显的成骨分化,干细胞高表达骨桥蛋白;体内显著促进颅顶骨缺损修复。将载细胞微凝胶作为生物墨水,通过3D打印技术有望实现精确控制细胞空间分布的功能性组织。综上所述,本文基于液滴微流控技术,首先,开发了一种连续制备载细胞微凝胶新技术;其次,通过合成新型温敏氟碳表面活性剂,提出了按需回收的新方法;再次,设计开发了高通量的微流控集成芯片,进一步提高载细胞微凝胶的生产效率。此外,开发一种光触发亚胺交联水凝胶,使得工程化细胞微环境更加精确。本研究表明载细胞微凝胶密堆积形成颗粒凝胶,具有剪切变稀、自愈合等特性,即可作为可注射的填充材料;也可作为生物3D打印墨水。验证了载细胞微凝胶提高骨修复的治疗效果,为再生医学细胞治疗提供新的方案。