水凝胶微球是一种具有高吸水性、生物相容性和可调节机械性能的生物材料，应用于生物医学领域。多孔结构的引入能够提高水凝胶微球的比表面积、孔隙率和物质传输效率，从而增强其在药物递送、细胞培养和组织工程中的应用性能。因此，构建多孔水凝胶微球并研究其物质传输特性，对于开发高性能生物材料具有重要意义。

1.模板法：控制孔隙结构

模板法通过牺牲模板的移除形成规则孔隙，可分为硬模板法与软模板法两类：

硬模板法：以聚苯乙烯微球（PS）、二氧化硅纳米颗粒等为模板，通过物理包覆或化学键合固定模板后，采用溶剂溶解或高温煅烧去除模板。

软模板法：利用表面活性剂（如Pluronic F127）或嵌段共聚物（如PEO-PPO-PEO）自组装形成胶束模板，通过光聚合或热引发交联固定结构后，通过水洗去除模板。该方法可制备孔径5-50 nm的介孔微球，适用于小分子药物（如阿霉素）的快速释放。

优势：孔隙结构高度可控，适用于定制化需求；局限：模板去除步骤复杂，可能残留有机溶剂。

2.气体发泡法：高通量制备多孔结构

气体发泡法通过物理或化学手段产生气体（如CO₂、N₂）形成孔隙，主要包括：

化学发泡：在预聚液中加入碳酸氢钠（NaHCO₃）与柠檬酸，通过酸碱反应生成CO₂气泡。

物理发泡：利用高压CO₂溶解于预聚液，快速泄压诱导气体析出。该方法无需化学添加剂，但孔径分布较宽（CV≈20%）。

优势：操作简单、成本低廉；局限：孔径均一性较差，需结合后续处理优化。

3.相分离法：自发形成分级孔隙

相分离法通过调节溶剂/非溶剂体系的热力学性质，诱导聚合物溶液分相形成孔隙：

热致相分离（TIPS）：将聚合物（如PLGA）溶于二氧六环，降温至冰点以下引发液-液分相，通过冷冻干燥去除溶剂后形成多孔结构。TIPS法制备的微球孔径可达100 μm，适用于大分子（如蛋白质）的负载与释放。

溶剂置换法：将水凝胶预聚液滴入非溶剂（如硅油）中，通过溶剂扩散诱导相分离。

优势：无需模板或发泡剂，可形成分级孔隙；局限：孔隙形貌受溶剂性质有影响。

4.微流控技术：微尺度调控

微流控芯片通过控制两相流速与通道几何参数，实现液滴内多孔结构的原位生成：

双乳液模板法：以水/油/水（W/O/W）双乳液为模板，通过紫外光引发内水相聚合，形成核壳结构微球后，去除油相与外水相得到多孔微球。

微气泡辅助法：在微流控通道中引入气体（如N₂）形成微气泡，通过剪切力控制气泡尺寸，聚合后得到含封闭孔隙的微球。结合后续化学蚀刻，可打通孔道形成互连结构。

优势：孔隙参数（尺寸、形貌、连通性）可独立调控；局限：设备成本高，通量较低。

多孔水凝胶微球的物质传输特性

1.扩散动力学：孔隙结构对传输速率的影响

多孔结构通过缩短扩散路径和增大接触面积，提升物质传输效率：

Fickian扩散模型：致密微球的扩散系数（D）与聚合物网络孔径（ξ）满足关系。多孔微球的表观扩散系数可提升至致密微球的10-100倍。

Knudsen扩散机制：当孔径小于分子平均自由程（如<100 nm）时，扩散速率与孔径成反比。介孔微球（2-50 nm）对小分子（如葡萄糖）的传输速率较宏观孔微球（>50 μm）提高3倍。

2.吸附性能：比表面积与表面化学的协同作用

多孔微球的吸附能力取决于比表面积（SSA）与表面官能团的协同效应：

物理吸附：高SSA（>500 m²/g）微球通过范德华力捕获污染物。

化学吸附：引入特异性官能团（如氨基、羧基）可实现靶向吸附。

3.刺激响应性传输：动态孔隙调控

通过引入刺激响应性聚合物，可实现孔隙结构的动态调节：

pH响应：聚丙烯酸（PAA）微球在pH 5.0时溶胀导致孔径扩大，药物释放速率提升。

温度响应：PNIPAM微球在32℃以上收缩，孔隙闭合实现“零级释放”。

光响应：掺杂偶氮苯（Azobenzene）的微球在紫外光照射下孔径增大，可控释放负载药物。

多孔水凝胶微球通过模板法、气体发泡法、相分离法及微流控技术等策略，实现了孔隙结构的调控，提升了物质传输效率。其扩散动力学、吸附性能及刺激响应性传输特性，为药物控释、组织工程及环境修复等领域提供了高性能材料解决方案。