水凝膠在骨科中的應(yīng)用

張瑜博 韓培

水凝膠為具有親水性聚合物鏈的3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且含水量為90%～99%，有助于有效的氧氣與物質(zhì)交換[1]。在過去幾十年中，水凝膠因具有生物相容性高、免疫原性低和理化性質(zhì)可調(diào)節(jié)等特征而在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中得到了前所未有的發(fā)展[2]。水凝膠的多聚體系統(tǒng)可為細(xì)胞的移植和分化、內(nèi)源性再生、生物修復(fù)、傷口愈合及藥物持續(xù)傳遞提供良好的基質(zhì)[3]，而其三維網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)則可模擬原始細(xì)胞外基質(zhì)的微結(jié)構(gòu)，為細(xì)胞存活提供活體生態(tài)條件[4]。

1 在骨組織工程中的應(yīng)用

骨缺損為骨科臨床常見病，目前多采取自體或異體骨移植的方法治療[5]。移植治療可造成供區(qū)部位損傷且供體難以獲得，故其應(yīng)用受到限制[6]。為解決上述問題，以水凝膠為支架材料的骨組織工程應(yīng)運(yùn)而生。

水凝膠是一類獨(dú)特的支架材料，具有由交聯(lián)的高分子鏈組成的三維親水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在吸收相當(dāng)于自身體積幾倍數(shù)量的水后仍可保持不分解。因此，水凝膠可以模擬自然的組織環(huán)境，為缺損部位提供結(jié)構(gòu)支持，使骨缺損通過內(nèi)在愈合機(jī)制修復(fù)[7]。

據(jù)報(bào)道，可注射原位成型水凝膠已廣泛用于骨科臨床[8]。與需要外科植入的預(yù)制支架不同，水凝膠可以注射到缺損處，原位成膠有助于對抗任何幾何變形，且侵入性較低[9]。Yoon等[10]制備了基于可見光固化乙二醇?xì)ぞ厶堑目勺⑸渌z系統(tǒng)，該水凝膠在結(jié)合骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)-2和(或)轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)-β1后，可在30 d內(nèi)持續(xù)釋放生長因子；體內(nèi)外研究均顯示，該水凝膠可促進(jìn)堿性磷酸酶、Ⅰ型膠原和骨鈣素等相關(guān)mRNA的表達(dá)，并可增加脛骨缺損部位的骨量和骨礦物質(zhì)密度，提示其在骨缺損治療方面具有應(yīng)用價(jià)值。此外，溫度響應(yīng)性水凝膠在體內(nèi)的應(yīng)用也有獨(dú)特的優(yōu)勢。Liao等[11]將雙相磷酸鈣陶瓷微粒作為礦化骨基質(zhì)嵌入含有透明質(zhì)酸-g-殼聚糖-g-聚(N-異丙基丙烯酰胺)(HA-CPN)的溫度敏感性水凝膠基質(zhì)中，并用富含血小板的血漿對其進(jìn)行強(qiáng)化，該復(fù)合物可捕獲兔脂肪來源的干細(xì)胞，并具骨誘導(dǎo)能力，可提升細(xì)胞增殖速率和堿性磷酸酶活性，促進(jìn)鈣沉積和細(xì)胞外基質(zhì)礦化，并上調(diào)成骨標(biāo)志基因表達(dá)，將該構(gòu)建體植入兔顱骨缺損處后缺損部位有新骨形成，證實(shí)該溫度敏感性復(fù)合水凝膠可促進(jìn)兔脂肪來源干細(xì)胞的骨生成，有望應(yīng)用于骨組織工程。

感染可影響骨折愈合過程，而由水凝膠聚合物和礦化組分合成的抗菌骨移植物具有易于獲得、成本低及理化性質(zhì)可調(diào)節(jié)等特征，成為骨替代物的優(yōu)選。Xu等[12]用貽貝激發(fā)的聚多巴胺(PDA)在聚乙烯(PE)水凝膠上原位合成銀納米粒子(AgNP)并對其予以礦化，發(fā)現(xiàn)AgNP/PDA水凝膠具有抗菌和促進(jìn)移植物礦化的雙重功能，可促進(jìn)骨骼生成，并具有上調(diào)骨涎蛋白、堿性磷酸酶、骨鈣蛋白及Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2等成骨標(biāo)志物表達(dá)的能力；體內(nèi)實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，該水凝膠可有效修復(fù)上頜骨缺損，并可顯著抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的生長，在修復(fù)伴有感染的骨缺損情況中可加快愈合進(jìn)程。

Zhu等[13]合成了可負(fù)載血管內(nèi)皮生長因子的溫度敏感性納米因子，經(jīng)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該粒子可促進(jìn)Ⅰ型膠原、Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子和骨鈣素等成骨標(biāo)志物的表達(dá)，也可促進(jìn)血小板-內(nèi)皮細(xì)胞黏附分子(CD31)、血管性血友病因子(vWF)和激酶插入域受體(KDR)等血管生成標(biāo)志物的表達(dá)。上述結(jié)果提示，用該粒子制備的水凝膠復(fù)合物可通過上述方式促進(jìn)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSC)的成骨分化和血管生成，有助于提高工程化骨組織的質(zhì)量。

水凝膠材料在骨組織工程應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢，而多種制備技術(shù)及材料的開發(fā)則為實(shí)現(xiàn)不同的骨缺損修復(fù)目標(biāo)提供了更多的選擇。

2 在軟骨組織工程中的應(yīng)用

年齡增加、外傷和關(guān)節(jié)退行性改變均可成為軟骨損傷的危險(xiǎn)因素。軟骨由于缺乏血管、神經(jīng)、淋巴網(wǎng)絡(luò)和原始細(xì)胞等，很難實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)，一旦損傷，通常需要通過外科手段進(jìn)行替換[14]。軟骨組織工程目的在于制備有功能且無瘢痕的組織。水凝膠作為適用于組織工程的支架材料之一，已被廣泛研究[15]。

鑒于軟骨強(qiáng)度的特殊性，軟骨組織工程所需的水凝膠材料不但要具有生物相容性，而且要兼具一定的機(jī)械性能。開發(fā)具備上述特征的水凝膠材料已成為研究熱點(diǎn)。Han等[16]設(shè)計(jì)了聚多巴胺/硫酸軟骨素/聚丙烯酰胺水凝膠，并證實(shí)其具有良好的組織黏附性和堅(jiān)韌的機(jī)械性能。與傳統(tǒng)的硫酸軟骨素水凝膠相比，該水凝膠能夠促進(jìn)軟骨的形成和分化，可為軟骨細(xì)胞生長和軟骨再生創(chuàng)造無生長因子的仿生微環(huán)境，并可滿足軟骨修復(fù)的機(jī)械要求。Deng等[17]通過雙物理交聯(lián)策略開發(fā)了新型κ-角叉菜膠/聚丙烯酰胺雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，該水凝膠顯示出優(yōu)異的斷裂拉伸應(yīng)力[(1 320±46) kPa]和韌性[斷裂能：(6 900±280) kJ/m3]，并具有優(yōu)異的干細(xì)胞相容性，適用于軟骨組織工程。

可注射水凝膠可用于微創(chuàng)修復(fù)手段，因而更具可操作性。Qi等[18]將絲膠蛋白轉(zhuǎn)化為功能性絲膠蛋白甲基丙烯酰，后者包載軟骨細(xì)胞后，可在UV光照射下通過光交聯(lián)形成原位水凝膠，在向體內(nèi)注入該水凝膠8周后，有效的人造軟骨即可形成，其細(xì)胞外基質(zhì)組分積累量增加，且軟骨關(guān)鍵基因表達(dá)上調(diào)，在分子水平上類似于天然軟骨。除軟骨細(xì)胞，人BMSC也可作為軟骨組織工程重要的種子細(xì)胞。Li等[19]設(shè)計(jì)了一種通過N-羥基琥珀酰亞胺-胺偶聯(lián)發(fā)生組裝的構(gòu)建體，該構(gòu)建體能夠包載人BMSC并保留其活力和功能，在被植入體內(nèi)后可促進(jìn)軟骨形成標(biāo)志物表達(dá)上調(diào)和Ⅱ型膠原含量增加，有利于形成成熟的透明軟骨結(jié)構(gòu)。除細(xì)胞外，生長因子也可被包裹進(jìn)入水凝膠，從而實(shí)現(xiàn)局部釋放。Jooybar等[20]將血小板裂解物摻入載有細(xì)胞的可注射透明質(zhì)酸/酪胺水凝膠中,其中血小板可作為自體且廉價(jià)的生長因子來源，而該水凝膠可在包載人BMSC后被注入體內(nèi)，結(jié)果顯示Ⅱ型膠原蛋白和蛋白多糖逐漸沉積，細(xì)胞外基質(zhì)沉積與凝膠降解同時(shí)進(jìn)行，堅(jiān)韌的致密基質(zhì)最終形成，提示可注射的刺激響應(yīng)性水凝膠具有作為軟骨再生支架的巨大潛力。

由于軟骨-骨結(jié)構(gòu)的特殊性，形成具有自主有序發(fā)育的軟骨-骨的多層結(jié)構(gòu)仍是一項(xiàng)復(fù)雜挑戰(zhàn)。Stüdle等[21]設(shè)計(jì)了一種雙層水凝膠，一層為以TGF-β3或BMP-2功能化并通過酶促聚合包載人BMSC的聚乙二醇水凝膠層，另一層為含有人鼻軟骨細(xì)胞(NC)的水凝膠層，將2層水凝膠組合并異位植入裸鼠，發(fā)現(xiàn)人BMSC負(fù)載層可重復(fù)進(jìn)行軟骨內(nèi)骨化并產(chǎn)生類骨組織，而NC負(fù)載層則可形成表型穩(wěn)定的軟骨組織。Kang等[22]為獲得更好的骨-軟骨組織，設(shè)計(jì)了一種3層支架，以用于支持骨形成的富含磷酸鈣的水凝膠作為礦化底層，以具有各向異性多孔結(jié)構(gòu)的冷凍水凝膠作為中間層，以用于支持軟骨組織形成的水凝膠作為頂層，底層保持無細(xì)胞，頂部2層則在植入前包載細(xì)胞，體內(nèi)植入的包載細(xì)胞的3層支架在骨表面形成了富含潤滑素的軟骨結(jié)構(gòu)。上述結(jié)果提示，將包載外源性細(xì)胞的軟骨組織工程與支架驅(qū)動的原位骨組織工程相結(jié)合，是構(gòu)建骨-軟骨組織類似物的有效途徑。

新型3D打印技術(shù)在軟骨組織工程中的應(yīng)用也是目前研究的熱點(diǎn)。Xia等[23]用明膠和透明質(zhì)酸制備水凝膠，并用3D打印技術(shù)精確控制外部3D形狀和內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，將甲基丙烯酸酐和光引發(fā)劑引入水凝膠系統(tǒng)中可使上述材料在3D打印期間發(fā)生光固化，進(jìn)一步對上述材料予以凍干則可增強(qiáng)其機(jī)械性能并延長其降解時(shí)間；山羊體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)均證實(shí)，該支架結(jié)合軟骨細(xì)胞可使具有典型空隙結(jié)構(gòu)和軟骨特異性細(xì)胞外基質(zhì)的成熟軟骨成功再生。這種新穎的3D支架具有令人滿意的外形、孔結(jié)構(gòu)、機(jī)械強(qiáng)度和降解速率，且其軟骨再生的免疫原性較弱。

除干細(xì)胞移植外，基于干細(xì)胞歸巢的水凝膠技術(shù)也是一種有前景的軟骨修復(fù)方法，可以解決技術(shù)復(fù)雜性和安全性等問題。Lu等[24]將無細(xì)胞軟骨基質(zhì)與功能化的自組裝肽組合，使其具有骨髓歸巢的功能，構(gòu)建復(fù)合水凝膠支架，將該支架植入兔膝關(guān)節(jié)的全層軟骨缺損處，7 d后體內(nèi)基于CD29+/CD90+雙陽性細(xì)胞的間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)募集增加，且聚集蛋白聚糖、Sox9和Ⅱ型膠原等軟骨相關(guān)標(biāo)志物的表達(dá)上調(diào)，3、6個(gè)月后軟骨樣組織完全覆蓋關(guān)節(jié)軟骨缺損，表面光滑，與周圍原生軟骨相似。Sun等[25]用去細(xì)胞軟骨基質(zhì)衍生的支架與功能化自組裝肽納米纖維水凝膠修復(fù)兔軟骨缺損，1周后復(fù)合支架組不但實(shí)現(xiàn)缺陷部位內(nèi)源性MSC的募集及浸潤細(xì)胞向軟骨細(xì)胞譜系的分化，而且實(shí)現(xiàn)透明樣軟骨的良好修復(fù)和軟骨下骨的成功重建，而對照組多為纖維組織修復(fù)。上述研究為無細(xì)胞移植的體內(nèi)軟骨修復(fù)提供了一種有前景的方法。

Aisenbrey等[26]將人MSC封裝在含有硫酸軟骨素的光敏感性聚乙二醇水凝膠中，在動態(tài)壓縮載荷或自由腫脹條件下培養(yǎng)3周，并用定量PCR和免疫組化方法對其進(jìn)行鑒定，結(jié)果顯示動態(tài)負(fù)載的硫酸軟骨素可通過抑制Smad1/5/8和上調(diào)p38分裂原激活蛋白激酶(MAPK)產(chǎn)生支持MSC軟骨形成和減輕纖維化的物理、化學(xué)信號。

3 在皮膚創(chuàng)面愈合中的應(yīng)用

皮膚作為覆蓋于人體表面的器官，很容易受到各種外界損傷[27]。大面積皮膚缺損由于供區(qū)皮膚難以獲得、恢復(fù)期較長及手術(shù)本身會帶來損傷，修復(fù)較為困難[28]。作為新型的傷口和創(chuàng)面敷料，水凝膠具有較高的保水能力和很好的生物相容性，可促進(jìn)細(xì)胞遷移和再上皮化，已獲得廣泛關(guān)注[29]。

多數(shù)傷口敷料既不能實(shí)現(xiàn)皮膚的無瘢痕再生，也不能實(shí)現(xiàn)毛囊和皮脂腺等附屬物的完全恢復(fù)。Qi等[30]開發(fā)可光交聯(lián)的絲膠蛋白水凝膠(SMH)并將SMH作為新型傷口敷料植入小鼠全層皮膚缺損模型以修復(fù)缺損，結(jié)果顯示其不僅可以實(shí)現(xiàn)皮膚的無瘢痕愈合，而且有利于毛囊和皮脂腺等皮膚附屬物的功能性再生。此外，為解決關(guān)節(jié)處的皮膚創(chuàng)面愈合，設(shè)計(jì)具有合適機(jī)械性能的傷口敷料有重要的實(shí)際意義。Qu等[31]設(shè)計(jì)了一種可自我修復(fù)的多功能可注射膠束/水凝膠復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)其具有與人體皮膚相當(dāng)?shù)哪Ａ考傲己玫纳炜s性、壓縮性和黏合性，且自愈能力、止血性能和生物相容性均良好，為關(guān)節(jié)處皮膚創(chuàng)面的愈合提供了良好的選擇。具有良好機(jī)械性能并可自我修復(fù)的水凝膠作為皮膚創(chuàng)面愈合的敷料材料應(yīng)用前景廣闊。

除可以作為傷口敷料外，水凝膠材料還具有促進(jìn)止血、加速組織再生并刺激成纖維細(xì)胞合成膠原的特性，在皮膚組織工程中廣泛用作皮膚替代材料[29]。Lei等[32]設(shè)計(jì)了一種新型生物相容性溫度敏感性水凝膠，可攜帶BMSC；體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該復(fù)合體可明顯促進(jìn)創(chuàng)面愈合，不但可加速上皮細(xì)胞增殖和再上皮化，減少傷口和傷口周圍組織的炎癥反應(yīng)，而且能夠促進(jìn)膠原沉積、TGF-β1和堿性成纖維細(xì)胞生長因子(bFGF)的分泌和組織重塑，為皮膚組織工程提供了一種有前景的應(yīng)用策略。此外，慢性難愈合糖尿病創(chuàng)面治療和完全皮膚再生是臨床上巨大的挑戰(zhàn)，從多功能水凝膠中控制釋放生物活性因子是修復(fù)慢性創(chuàng)面有前途的策略[33]。Wang等[34]開發(fā)了一種可注射的F127/氧化透明質(zhì)酸/聚ε-L-賴氨酸(FHE)水凝膠，該水凝膠具有自我修復(fù)能力并含有抗菌多肽，在結(jié)合脂肪來源的間充質(zhì)干細(xì)胞外泌體(AMSCs-exo)后，具有可注射的優(yōu)點(diǎn)，可在pH刺激下釋放外泌體，并具有有效的抗菌活性，能夠加速皮膚愈合過程；體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，與單獨(dú)外泌體或FHE水凝膠相比，結(jié)合了外泌體的FHE水凝膠顯示出更好的愈合效果，可顯著增強(qiáng)糖尿病患者全層皮膚創(chuàng)面的愈合效率，增加創(chuàng)面閉合率并促進(jìn)血管的快速生成、再上皮化和膠原沉積，且在經(jīng)結(jié)合了外泌體的FHE水凝膠處理的創(chuàng)面中也可出現(xiàn)皮膚附屬物和較少的瘢痕組織，表明其具有實(shí)現(xiàn)皮膚完全再生的能力。該研究為制備可控制外泌體釋放的多功能水凝膠提供了新途徑。

Xi Loh等[35]設(shè)計(jì)了一種納米纖維素/丙烯酸水凝膠，在分子水平上研究水凝膠影響人真皮成纖維細(xì)胞(HDFS)的行為，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該水凝膠可影響白細(xì)胞介素(IL)-6、IL-10、基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)-2、組織蛋白酶K(CTSK)、成纖維細(xì)胞生長因子(FGF)-7、粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子(GM-CSF)、TGF-β1、環(huán)氧酶(COX)-2和凝血因子Ⅲ(F3)等9個(gè)傷口愈合因子的表達(dá)，具有維持HDFS活性和形態(tài)、限制細(xì)胞遷移、促進(jìn)細(xì)胞快速轉(zhuǎn)移和加速傷口愈合的能力。

水凝膠的理化性質(zhì)和生物性質(zhì)獨(dú)特，可作為有效的皮膚再生材料之一。此外，在水凝膠中加入功能性生物分子或生物材料的設(shè)計(jì)也是一種很有前途的方法。

4 水凝膠應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

隨著材料科學(xué)的發(fā)展，大量多功能材料應(yīng)運(yùn)而生，并應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的各個(gè)方面。在近年各種生物材料的研究中，水凝膠由于具有成本低、功能多、可再生、可降解及生物相容性良好等優(yōu)點(diǎn)而備受矚目。水凝膠在骨科領(lǐng)域中的應(yīng)用主要聚焦于組織工程、創(chuàng)面愈合以及藥物傳遞等研究，部分研究結(jié)果已應(yīng)用于臨床。隨著生物材料和生物反應(yīng)器的發(fā)展以及學(xué)者們對組織修復(fù)的細(xì)胞信號機(jī)制的了解進(jìn)一步深入，水凝膠將可以更精確地模擬天然細(xì)胞外基質(zhì)，在骨及軟組織修復(fù)中發(fā)揮更大的作用。