人工授精技术（Artificial Insemination，AI）在繁殖效率、遗传改良、成本控制和疾病防控方面优势突出，是现代养猪业的核心技术，对生猪产业可持续发展意义重大。由于母猪排卵时间个体差异较大，为确保成功配种，通常进行2～3次AI，然而随着精液保存技术、母猪发情调控技术的进步以及相关仪器的发明和使用，单次AI被认为是该行业的下一个突破点。相比于利用激素精确调控母畜排卵时间的技术，猪精子微胶囊化技术因其不受母畜个体差异影响，具有高生物相容性、技术难度低以及便于应用推广等特点，逐渐受到业内人员的广泛关注。猪精子微胶囊化技术可以将猪精液制备成“缓释胶囊”，延长精子存活时间并可以在生殖道内缓慢释放，降低AI对排卵时间的依赖性，从而实现单次AI。目前，我国猪精子微胶囊化技术研究尚处于起步阶段，面临诸多挑战，如微胶囊化过程对猪精子的显著损伤、孵育期间精子质量快速下降、技术复杂性与成本以及规模化生产等。

本文对国内外精子微胶囊化技术的研究进展及产业化应用进行综述，旨在为中国相关领域的研究与应用提供坚实的理论支撑和实践指导，推动该技术的进一步发展与创新。

海藻酸钠是一种亲水性胶体多糖，具有增稠、悬浮、乳化、稳定、形成凝胶、形成薄膜和纤维的特点，具有良好的生物降解性和生物相容性，稳定无毒，是目前唯一可在室温下形成水溶胶的天然高分子材料，常被用于细胞固定化载体。目前，基于藻酸盐水凝胶封装的固定化细胞技术已广泛应用于环境治理、食品发酵、能源开发和药物制备等领域。

将海藻酸钠溶液滴入含重金属离子的溶液中，通过物理交联，海藻酸钠结构中的钠离子和金属离子发生置换反应，形成结构紧密堆积的凝胶，即“蛋盒”结构模型。凝胶的强度与重金属离子的分子质量和电荷相关：P^b2+＞Cu²⁺＞Cd²⁺＞Ba²⁺＞Sr²⁺＞Ca²⁺＞Zn²⁺＞Mn²⁺。由于重金属离子对细胞存在不同程度的毒性，通常是利用Ca²⁺、Ba²⁺等低生物毒性金属离子与海藻酸钠溶液交联形成海藻酸钙或海藻酸钡凝胶。对重金属离子具有高亲和力的磷酸盐或柠檬酸盐等会隔离凝胶网格中交联的重金属离子，从而使凝胶不稳定。因此，常用含有EDTA或者柠檬酸钠等螯合剂的溶液将海藻酸盐水凝胶液化，释放被固定细胞。

如图1所示，细胞微胶囊化技术的研究可以追溯到20世纪70年代末，Lim和Moss首次成功进行了活细胞的微胶囊化。利用该方法，Lim和Sun将包封的胰岛细胞植入链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠体内，发现3周内无免疫反应，且改善了糖尿病。

图1 精子微胶囊化技术研究进展

1985年，基于Lim和Moss等学者的研究，Nebel和Lim等首次将公牛的精液包裹在海藻酸钙和聚L-赖氨酸胶囊中：精子与海藻酸钠溶液混合物滴入氯化钙溶液中形成固态水凝胶，接着将这种水凝胶于聚L-赖氨酸溶液中搅拌，使表面覆上一层聚L-赖氨酸薄膜，最后将这种微胶囊置于柠檬酸钠溶液中，使内部的海藻酸盐基水凝胶重新液化，从而得到一种外部具有结实外壳、内部核心含有液态精液的“牛精子微胶囊”，体内与体外试验表明微胶囊不会损害牛精子。这种微胶囊制备方式被称为“三步法”。

精子微胶囊在生理条件下会缓慢溶解，精子源源不断地从中释放。通过调控凝胶强度控制精子释放速度，使排卵阶段母畜生殖道内始终存在具有受精能力的精子，从而实现单次AI的目的。1990年，Nebel等使用这种方法封装猪精子，但是在封装后猪精子活力显著下降：15℃培养2 h后，精子活力为47%；培养8 h后，只有7%的封装精子具有运动能力；经过16 h的培养后，精子无运动能力。这种可能与牛和猪精子的生理特性及对环境压力的敏感性上存在显著差异有关。猪精子暴露于高浓度钙离子环境中，更容易引发精子的过早活化和获能，从而导致其活力迅速下降。

1998年，Conte等设计了“一步法”封装技术：为了防止钙离子诱导猪精子过早活化与获能以及避免“稀释休克”对精子造成损伤的风险，将一定浓度氯化钡溶液加入到精液中，得到的细胞悬浮液通过注射器针头挤压到海藻酸钠溶液中。当精液滴与海藻酸盐接触时，钡离子从精液滴中扩散出来，与海藻酸盐交联反应，促进液体核周围的聚合物凝胶化。这种包被精液滴的方法显著提升了微胶囊化精子的质量。试验数据显示，在38℃孵育24 h后，微胶囊化猪精子的顶体完整率仍保持在较高水平（82.53%±6.15%），与对照组（63.7%±13.0%）相比差异不显著（P＝0.074）。然而，该方法依赖于专业的微流控技术，且生产效率较低，难以实现大规模应用。

2008年，不同于上述两种方法生产具有“液态核心”的微胶囊，挪威基诺与Norsvin两大育种公司共同发明了一项名为SpermVital的新技术。这项技术是将精子与海藻酸钠溶液混合后滴入CaCl₂中形成固体水凝胶，精子被固定在由海藻酸钙凝胶制成的固体凝胶网络中。试验数据显示，使用SpermVital法封装的牛、猪、银狐等动物的精子在体外37℃孵育不同时间后，与未封装组相比精子活力显著提高，微胶囊化精子的存活时间可延长至60 h。其中，微胶囊化猪精子在37℃条件下孵育30 h时，直径为1 mm的微胶囊中精子活力为20%，而直径为3 mm的微胶囊中精子活力为45%；孵育至60 h时，直径为1 mm的微胶囊中精子几乎全部丧失活力，而直径为3 mm的微胶囊中精子活力仍保持在30%。相比之下，未封装的对照组精子在15 h左右已几乎完全丧失活力。这种限制精子运动的微胶囊类型可能更好地模拟了精子在附睾内的“三维微环境”，缓冲了环境压力对精子造成的物理和化学损伤，降低了精子ATP的损耗，从而更有效地延长了精子在体外的存活时间，展现出极大的应用潜力。

国内猪精子微胶囊化技术的相关研究起步相对较晚。2005年，黄三元等改进了Nebel等设计的“三步法”封装技术，在猪精子微胶囊制备体系中加入蛋黄，猪精子微胶囊化后质量明显提升，并且37℃孵育后存活时间延长：在4℃保存1 d的精子转移至37℃孵育24 h后，封装组精子活力可达51.4%±8.7%（对照组37.1%±5.8%，P＞0.05），孵育48 h后封装组精子活力为20.1%±5.3%（对照组17.1%±4.3%，P＞0.05）；在4℃保存3 d以上的精子在37℃孵育8 h后，微胶囊化精子的运动性显著高于对照组。目前，蛋黄缓解微胶囊化过程对猪精子损伤的具体机制尚未完全明确。蛋黄中富含的卵黄蛋白原、维生素E以及硒等物质可能构建了一种“缓冲环境”，可能通过抗氧化作用或调节离子平衡，减轻了微胶囊化过程中对精子的损伤，从而提高了精子的存活率和活力。

2016年，鉴于“三步法”技术复杂、成本较高且不利于规模化生产，李井春和魏国生课题组参考Conte等设计的“一步法”封装技术对猪精子微胶囊化技术进行了一系列研究，探究了蛋黄添加量、钡离子浓度以及稀释液成分等因素对微胶囊化后猪精子质量的影响，并取得了一定进展：在37℃条件下制备猪精子微胶囊，微胶囊化精子在封装后30 min，活率可达94.2%±1.6%（对照组94.4%±1.0%，P＞0.05）；但随着在37℃孵育时间的延长至24 h时精子活率为39.0%±9.7%（对照组35.4%±2.9%，P＞0.05）。这种现象可能与37℃环境下猪精子处于高代谢状态有关：蛋黄虽然提供了充足的营养支持，但也加速了代谢产物的积累，导致ATP消耗加剧，从而缩短了精子的存活时间。

本团队基于SpermVital技术原理，构建了一种更适合维持精子体外受精潜力的“三维微环境”。通过利用水凝胶三维网格状结构的“固定”作用与抗氧化剂的抗氧化作用协同作用，限制精子的过度运动，缓冲外界环境变化（如温度波动）对精子造成的物理损伤（如重力作用导致的精子凝集和挤压）与化学损伤（如重金属诱导的氧化应激），从而有效维持精子膜结构的完整性，高效清除37℃条件下的ROS积累，并维持精子ATP水平的稳定。在此基础上，成功开发了一种安全、稳定且高效的猪精子微胶囊化技术，并建立了一套完整的基于离心微流控技术的技术研究体系。试验结果表明，微胶囊化猪精子在37℃条件下的存活时间可延长至72 h，显著优于SpermVital技术制备的猪精子微胶囊。其中，在37℃孵育48 h后，微胶囊化精子的活率（75.05%±3.25% vs.34.49%±6.59%，P＜0.05）、活力（46.73%±2.73% vs.14.83%±4.73%，P＜0.05）及直线运动速度（21.62±2.74 µm/s vs.6.67±2.20 µm/s，P＜0.05）均显著高于对照组。此外，微胶囊化精子的质膜完整性、顶体完整性、抗氧化能力及线粒体功能等关键指标也显著优于对照组。即使在37℃孵育60 h后，微胶囊化精子的活率（54.31%±3.82% vs.11.4%±2.53%，P＜0.05）、活力（34.09%±3.27% vs.4.17%±0.81%，P＜0.05）及直线运动速度（20.05±1.97 µm/s vs.2.73±0.36 µm/s，P＜0.05）仍维持在较高水平，展现出显著的技术优势（数据未发表）。

母猪发情持续时间一般为30～72 h，平均52.6 h，在发情开始后的30～60 h内排卵，平均排卵时间是发情后44 h；母猪排卵数量通常在15～30个之间，并且这些卵母细胞不同时排出。发情持续时间和排卵时间存在明显的品种、季节和个体差异。此外，精子和卵子在母猪生殖道内维持受精能力的时间分别约为24 h和8 h。为确保成功配种，猪场一般采用2～3次人工AI，这会导致定时AI中精液生产压力和人员工作强度极大提高。目前人们期望通过开发单次AI技术来解决这一困境，但是相关研究成果较少，技术相对不成熟。

目前，单次AI研究主要集中在以下两个方面：1）通过生殖激素精准调控母猪生理期，实现猪群同期发情、同期排卵，最后定时AI，使精子维持受精能力的时间覆盖整个排卵阶段；2）延长精子在母畜生殖道内维持受精能力的时间，例如：精子微胶囊延时释放技术。由于母猪排卵时间个体差异较大，通过激素调控实现单次AI难度较大且会造成母猪受胎率低，因此精子微胶囊封装技术得到了广泛关注。

基于“一步法”精子微胶囊化技术，Faustini等和Vigo等进行了大规模的AI试验：选取1 710头母猪进行常规AI处理（2～3次授精，25亿精子/头，对照组共50～75亿精子/头），选取1 783头母猪使用猪精子微胶囊进行单次AI（每头母猪至少50亿个精子）。结果显示，使用精子微胶囊进行单次AI和标准AI的母猪妊娠率相似（88% vs.87.4%，P＞0.05），微胶囊组的分娩率显著高于对照组（97.1% vs.94.7%，P＜0.05），平均产仔数（12.9±3.2头 vs.12.7±3.0头，P＞0.05）和活产仔数（11.8±3头 vs.11.6±2.9头，P＞0.05）与对照组相似，表明精子微胶囊化技术可以实现猪的单次AI。然而，尽管“一步法”精子微胶囊化技术在提高AI性能方面具有巨大潜力，但仍需解决精子活力保护、材料生物相容性、缓释机制控制、技术复杂性与成本以及规模化生产等问题，这些问题限制了该技术的进一步推广与应用。

基于“三步法”精子微胶囊化技术，1992年，Vishwanath等使用未封装的牛精子和两种不同的半透膜（聚-L-赖氨酸或蛋白硫酸盐）封装的牛精子进行AI试验。结果显示，聚-L-赖氨酸半透膜封装组的妊娠率与对照组相比没有显著差异，蛋白硫酸盐半透膜封装组的妊娠率比其他两组稍高，这表明微胶囊化处理的精子仍保留受精潜力并且使用蛋白硫酸盐半透膜封装组的妊娠率更高。Vishwanath等研究了不同授精时间对使用微囊化牛精子进行AI母牛妊娠率的影响。结果显示，与传统的AI时间相比，在发情后48 h时使用微胶囊组进行AI可以获得更高的妊娠率，这可能是因为微胶囊化处理促使精子更早获能，表明“三步法”制备的精子微胶囊的使用可能需调整传统授精时间窗口，以匹配其缓释特性。

基于SpermVital技术，挪威基诺与Norsvin两大育种公司使用封装的挪威红牛精子在荷兰进行了大规模的生产试验，来自30个牧场的435头荷斯坦牛被随机分配使用普通荷斯坦牛精液和SpermVital技术封装的精液进行配种。所有参与试验的母牛均为一次情期未受孕的荷斯坦牛。结果显示，使用SpermVital技术的231次配种中，平均受胎率达到49%，而使用普通荷斯坦精液的204次配种中，平均受胎率仅为25%。此外，德国Niedersachsen地区的一个拥有1 200头成年奶牛的牧场在2010年夏季采用了SpermVital技术，结果显示无论是成年牛还是育成牛，不返情率从20%提升至41%。

基于SpermVital技术，挪威内陆应用科学大学、基诺公司、挪威生命科学大学等单位合作，将精子微胶囊化技术与冷冻保存相结合，对该技术是否可以延长挪威红牛冻融精子的存活时间进行了一系列研究。Standerholen等通过双盲试验比较了用Biladyl稀释液（对照组）处理过的标准冷冻精液与SpermVital AS公司开发的精子微胶囊技术处理后冷冻精液的受精能力。结果显示，尽管精子微胶囊化技术处理后降低精子顶体完整率，但是AI后第56天不返情率无显著差异。

Alm-Kristiansen等将单剂量SpermVital（SV组）精液、单剂量Biladyl（B组）处理的精液以及双剂量B组（B double组：B组孵育24 h后，再次加入单剂量Biladyl处理的精液，来模拟两次AI）处理的精液在体外生理温度下孵育48 h，结果显示，24 h后SV组精子存活率与B double组精子存活率无显著差异。48 h后，SV组的精子存活率高于B组。结果表明，海藻酸盐水凝胶具有延长精子存活的作用。

Alm-Kristiansen等研究了SpermVital第二代技术对挪威红牛精子冷冻保存的影响。相比于第一代SpermVital技术（C组），第二代SpermVital技术（SV组）得到了极大改进：解冻后精子活力没有显著差异（56.4%±5.5% vs.54.7±2.1%，P＞0.05），然而SV组更好地保护了精子顶体完整性（60.2%±5.2% vs.27.6%±10.9%，P＜0.05）。将SV和C精液细管放入离体子宫并在室温下孵育24 h后检测剩余凝胶中精子活力，结果显示SV组精子活力显著高于C组（56%±12% vs.37±15%，P＜0.05）。同年，Berg等以Biladyl处理的精液作为对照组（B15组，即每剂1 500万精子），研究了精子密度对SpermVital技术处理的精液（SV25组，每剂2 500万精子；SV15组，每剂1 500万精子）冷冻后质量和生育能力的影响：AI试验（n=7 155头）结果显示，B15、SV25和SV15组未返情率无显著差异（75.5% vs.75.6% vs.74.8%，P＞0.05）；B15和SV15精液解冻后质量检测结果显示，两组精子活率（66.6%±7.9% vs.67.0%±6.8%，P＞0.05）和活力（50.4%±8.4% vs.52.9%±7.6%，P＞0.05）无显著差异，但38℃孵育3 h后，SV15精子活率（66.2%±6.3% vs.61.5%±8.1%，P＜0.05）和活力（51.5%±7.1% vs.43.3%±8.3%，P＜0.05）显著高于B15组；SV15组精子顶体完整性和ATP等指标显著高于B15组。为了检测该技术生产的精子微胶囊是否可以在生殖道内逐渐溶解并释放精子，Berg等使用内窥镜观察AI后3、6、20和24 h的子宫。结果显示，子宫内各时间点均存在凝胶残留物，表明在精子可在子宫中释放。

以上结果表明，SpermVital技术生产的精子微胶囊可以延长冻融精子在体外存活时间，并且可以成功在母畜生殖道内溶解，逐渐释放具有受精能力的精子，实现牛冷冻精液的单次AI。此外，尽管SpermVital技术成功实现了牛、猪、银狐等动物的精子封装，并且成功将挪威红牛精子微胶囊化技术与冷冻保存技术相结合，但是目前的研究中很少涉及猪精子微胶囊化技术在冷冻保存方面的应用。这可能是由于猪精液体积大以及猪精子质膜中不饱和脂肪酸含量高等因素增加了猪精液冷冻保存与应用的难度。

本团队将猪精子微胶囊化技术与冷冻保存相结合并进行了一系列的探索，确定了一套微胶囊化精子冷冻操作程序，微胶囊化精子冻融后活力由最初的0%已提升至30%以上，但是与常规精子冷冻组（50%）相比还存在较大差距。其中，微胶囊化精子冷冻质量大幅提升的关键是在海藻酸钠溶液中加入Equex Paste（主要成分为十二烷基磺酸钠）。另外，研究对冷冻操作程序中一些关键技术参数进行了探索与优化，比如：甘油预添加浓度、海藻酸钠浓度以及Equex Paste浓度等，但是微胶囊化精子冷冻后活力依旧未达到对照组水平（数据未发表）。

现有结果表明微胶囊化过程会大幅增加精子ROS产生，有研究显示冷冻过程同样会增加ROS产生，尽管海藻酸盐水凝胶具有一定的清除ROS能力，但需要较长时间发挥功能，现有冷冻操作程序中ROS剧增可能是导致微胶囊化精子冻融后活力大幅下降的关键因素。因此，可从以下三个方面进行优化：1）海藻酸钠溶液中添加抗氧化剂；2）优化冷冻程序，比如：精子微胶囊化后再进行降温平衡，使精子冷冻前有足够时间清除微胶囊化过程生成的过量ROS；3）对精子微胶囊中精子密度、冷冻剂型以及降温程序等因素进行探索与优化。

单次AI可以有效克服常规多次输精工作强度大、生殖道感染风险高、成本高、精液供应压力大等弊端，是生猪产业发展的必然趋势。截止至2024年末，我国生猪存栏量为42 743万头，能繁母猪存栏量达到4 078万头‌。单次AI技术有着巨大的市场需求。猪精子微胶囊化技术以其仿生封装与缓慢释放的特点，成为突破猪单次输精技术瓶颈的关键，是生猪产业亟待开发的“新质生产力”。

未来精子微胶囊化技术在猪生产中的发展可聚焦以下核心方向，以突破技术瓶颈，推动产业化应用：1）材料与工艺优化。开发新型生物相容性材料（如ROS响应型水凝胶、硒化海藻酸钠），整合抗氧化物质实现ROS动态清除；提升微胶囊的机械强度与缓释可控性；结合微流控芯片技术实现高通量、低成本微胶囊生产，推动技术从实验室向产业化跨越；2）冷冻保存技术优化。解析微胶囊界面冰晶成核抑制效应，指导生产应用；3）建立基于排卵信号精准缓释的水凝胶系统；4）标准化与智能化应用：结合人工智能开发精子活力预测算法及最佳授精时机决策系统，实现智慧AI。综上，通过“基础理论-技术工艺-应用模式”的全链条创新，精子微胶囊化技术有望突破猪繁殖效率瓶颈，重塑猪繁殖技术范式，形成生猪产业高质量发展的新质生产力。

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