水凝胶小滴中的细胞包囊化正在改变生物医学科学多个领域的可行性，例如组织工程和再生医学，体外建模和基于细胞的疗法。布朗大学EricM.Darling教授团队在《AdvancedFunctionalMaterials》上发表了题为SingleCellMicrogelsforDiagnosticsandTherapeutics最新的进展，这使研究人员能够将材料封装复合物小型化至单细胞规模，其中每个复合物（称为单细胞微凝胶）仅包含一个被水凝胶基质包围的细胞，而尺寸仍小于μm。有了这项成就，现在就可以进行要求单细胞分辨率的研究，类似于使用液滴封装的研究。涉及长期体外培养，模块化生物墨水，高通量筛选以及3D细胞微环境形成的应用可以独立调整，以适应单个细胞的需求和实验目标。在此进度报告中，概述了用于制造单细胞微凝胶的既定材料和技术，以及对潜在替代品的见解。通过讨论已经从单细胞微凝胶技术中受益的应用以及即将实现重要新功能的前瞻性应用。
1.介绍
在过去的十年中，单细胞技术改变了研究领域，这在很大程度上是由于仪器，样品和试剂处理方面的进步，增强的计算能力以及对微流体技术的了解和发展。研究人员能够调整水凝胶的组成，以实现最佳的机械（例如刚度和应力松弛）和生化（例如附着部位）特性，以适应目标应用并提供免受外部因素的额外保护（图1）。
图1A）微凝胶大小对生理反应和药代动力学的影响。使用细胞直径Dcell=12μm，扩散系数D=10μm2s-1。B）单细胞微凝胶的成分，具有可调整的特性以适应应用需求。
2材料
2.1.1海藻酸盐
由于藻酸盐具有良好的生物相容性，相对简单的聚合机理以及已建立的实验室和临床应用，海藻酸盐已成为最流行的单细胞水凝胶材料之一。藻酸盐早期用于单细胞水凝胶封装的主要原因之一是其适用于微型凝胶法。涉及将单个细胞封装在藻酸盐微凝胶中的大量研究使用微流体装置来小心地控制将二价阳离子引入到含细胞的前体溶液液滴中。Mao等人开发的一种技术以固态CaCO3纳米颗粒（NPs）悬浮在藻酸盐前体溶液中或在封装前预先吸附到细胞表面为特征（图2A）。
图2A）使用常规方法（上图）和细胞表面涂层（下图）交联藻酸盐微凝胶的细胞封装示意图。B）通过使用常规（直接）包封，常规包封，随后的FACS和细胞表面预涂，将含有MSC和OP9细胞的藻酸盐微凝胶分离。E是常规封装的理论产率。C）封装的MSC的共聚焦图像（绿色，藻酸盐，红色，肌动蛋白，蓝色，细胞核），比例尺表示10μm。D）CLEX（竞争性配体交换交联）的示意图。E）使用CLEX工艺制造载有细胞的微凝胶的微流控设备图像，其中数字对应于（F）中的溶液。F）使用CLEX（左）荧光标记的无细胞藻酸盐微凝胶，并使用酸性载液从CaEDTA中释放Ca2+（右）。
2.1.2琼脂糖
图3对于微流体应用，必须特别注意液体琼脂糖溶液相对较高的粘度1Pas，因为背压限制，这种特性会阻碍通量或阻止单细胞微凝胶的制备。克服此局限性的一种策略是顺序液滴分裂，其中将大的琼脂糖液滴在初始生成的下游进行N次分割，以将有效通量提高2N倍，并产生包含单个细胞的子液滴（图3）。
图3A）琼脂糖微凝胶的产生。从左到右，分别是用于细胞封装，液滴混合器，第一液滴分离器和第三液滴分离器的初始液滴生成事件的图像。B）由于N个分裂事件而导致的标准化液滴直径。
2.1.5基质胶
Matrigel是ECM蛋白的商业化提取物，已广泛用于在2D和3D环境中培养各种细胞类型。据悉，Dolega等人进行了将Matrigel用作单细胞微凝胶材料的唯一论证。将人体前列腺上皮细胞分别包裹起来，然后观察它们的增殖和自组织特征来表征腺泡的发育，即3D细胞。培养测定需要基质胶中复杂的基底膜蛋白混合物（图4）。
图4A，B）从单个细胞开始，Matrigel微凝胶内腺泡在一段时间内生长的相衬图像（第1天）。为了清楚起见，白色虚线表示微凝胶外围。C）肌动蛋白（红色）和细胞核（蓝色）的荧光染色，用于可视化早期管腔形成。
2.1.6胶原蛋白
胶原蛋白是一类ECM蛋白，经常用于细胞培养，也很少作为单细胞微凝胶材料进行研究。明胶（变性后的胶原蛋白I）已按规定比例与未变性的胶原蛋白混合，以改善对水凝胶机械特性的控制（图5）。
图5A）3T3成纤维细胞随时间在胶原明胶微凝胶中扩散和侵袭的明场图像。B）在培养6天后，成纤维细胞散布在聚集的胶原-明胶微凝胶上。C）刚度不同的胶原蛋白-明胶微凝胶细胞扩散和微凝胶聚集的时间。
第三代单细胞微凝胶
3.2.1基于微流体的液滴生成
液滴微流体学虽然是微流体学的一个子类，但其自身的功能相当广泛。有许多无量纲参数从物理上描述了基于微流体的液滴的产生（例如雷诺数，韦伯数和键数），但为简单起见，我们主要