水凝胶是以水为分散介质的凝胶，具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基，亲水残基与水分子结合，将水分子连接在网状内部，而疏水残基遇水膨胀的交联聚合物。由于交联网络结构的存在，水凝胶在水中能迅速溶胀，并在此溶胀状态可以保持大量体积的水而不溶解。同时，其对水分的吸收程度与交联程度密切相关，交联度越高，吸水量越低。

1.水凝胶的物理性质对细胞代谢的影响

刚度：不同刚度的水凝胶会影响细胞的代谢。例如，人支气管上皮细胞从硬质基质向软质基质（胶原蛋白水凝胶）转移时，会通过限速代谢酶磷酸果糖激酶（PFK）的蛋白酶体降解引起糖酵解下调，因为应力纤维的分解触发了 PFK 降解。而转化后的非小细胞肺cancer细胞，无论环境机制如何变化，都能维持较高的糖酵解速率，并通过下调靶向 PFK 的 E3 泛素连接酶三重基序（TRIM）的蛋白 21（TRIM21）以及将残留的 TRIM21 螯合在对底物刚度不敏感的应力纤维子集上来保留 PFK 表达。

孔隙率与空间结构：水凝胶的孔隙率和空间结构为细胞的生长和代谢提供了物理支撑和空间限制。合适的孔隙率和空间结构有利于营养物质和代谢废物的扩散，从而影响细胞代谢。如微孔退火粒子（MAP）水凝胶，其萎缩为干细胞的生长、扩散和形成复杂的细胞网络创造了空间，干细胞在其中大量繁殖，并对环境进行改造以更好地满足自身代谢需求。

2.水凝胶的化学性质对细胞代谢的影响

成分与营养物质供应：水凝胶的化学成分决定了其能否为细胞提供必要的营养物质以及是否具有良好的生物相容性。一些水凝胶可以负载或释放特定的营养物质、生长因子等，直接影响细胞的代谢活动。例如，两性离子水凝胶 3D 培养人类造血干细胞（HPSC）时，其模拟了 HPSC 在体内生活的亲水性和两性离子性细胞膜脂质为主的 3D 环境，可抑制 HPSC 分化，并有效扩增脐带血和骨髓来源的 HPSC。

降解性：可降解的水凝胶在降解过程中会释放出一些物质，这些物质可能会影响细胞的代谢。如 MAP 水凝胶，其降解速度会影响干细胞的生长和代谢，降解最快的 MAP 水凝胶拥有最多的干细胞群，且细胞在扩散过程中会改变 MAP 水凝胶的形状，并占据更多的地盘。

3.细胞类型与功能状态对其在水凝胶中代谢的影响

不同细胞类型：不同类型的细胞在水凝胶中的代谢表现不同。例如，肝细胞与大肠杆菌在水凝胶微球中的共培养过程中，超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）检测到的色氨酸代谢物含量变化与细胞损伤水平有关。而造血干细胞在两性离子水凝胶中培养时，其葡萄糖消耗和乳酸分泌量远低于传统培养方式，O₂相关的代谢受抑制，保持了原始的造血干细胞特性。

细胞功能状态：细胞的功能状态也会影响其在水凝胶中的代谢。例如，干细胞在水凝胶中可能会根据其分化阶段和功能需求调整代谢途径，以满足自身的能量和物质需求。正在分化的干细胞可能会增加某些代谢途径的活性，以合成特定的生物分子用于细胞分化和组织形成。

4.水凝胶与细胞的相互作用对细胞代谢的影响

细胞黏附与信号传导：细胞与水凝胶之间的黏附作用可以激活细胞内的信号传导通路，进而影响细胞的代谢。水凝胶表面的化学性质和拓扑结构会影响细胞的黏附行为和信号传导，从而调节细胞代谢。

细胞外基质重塑：细胞在水凝胶中会对周围的细胞外基质进行重塑，这一过程也会影响细胞的代谢。细胞通过分泌酶等物质降解和重构细胞外基质，改变其物理和化学性质，进而影响自身的代谢环境和行为。