甲基丙烯酰胺基明膠水凝膠研究進展

王毅虎，曹霄峰，張 兵，王佳寧，張煒杰，郭燕川*

(1. 中國科學院 理化技術(shù)研究所 化學轉(zhuǎn)化與功能材料重點實驗室，北京100190；2. 中國科學院大學，北京 100049)

水凝膠是由親水性高分子交聯(lián)形成的三維網(wǎng)絡支架材料，具有理化性質(zhì)可控、生物相容性好等特點，常被應用于生物醫(yī)用領(lǐng)域，如組織工程、創(chuàng)傷修復、藥物控釋等[1-3]。明膠是膠原水解后的產(chǎn)物，具有比膠原更低的免疫原性，更容易加工，并且保留了膠原所具備的 RGD 細胞粘附肽[4]和蛋白酶降解位點[5]，是水凝膠的重要原料之一。

明膠具有溶膠-凝膠轉(zhuǎn)化特性，在低溫情況下能夠自發(fā)地物理交聯(lián)形成水凝膠[6]。但是以明膠作為單一原料制備水凝膠材料，其在熱穩(wěn)定性、力學性能和降解性能方面存在不足，往往不能滿足醫(yī)用材料的需求。明膠分子鏈含有大量的活性基團，可以通過改性、交聯(lián)或與其它材料復合的方式制備不同性能的水凝膠[7-9]。

2000 年，Van den Bulcke等[6]首次報道了應用甲基丙烯酸酐與明膠反應，修飾明膠的氨基側(cè)鏈，生成甲基丙烯酰胺基明膠(GelMA)，并將GelMA溶于水中，以Irgacure2959 為光引發(fā)劑，在UV光的照射下發(fā)生交聯(lián)反應，制備出GelMA水凝膠。引入甲基丙烯酰基賦予了明膠在光引發(fā)劑和光照下可以光交聯(lián)的性質(zhì)，這種交聯(lián)可以在溫和的條件下進行(室溫、中性pH、水環(huán)境中等)，并允許反應的時間和空間控制，這使得水凝膠可以通過微加工產(chǎn)生獨特的圖案、形態(tài)和3D結(jié)構(gòu)，提供控制細胞行為、研究細胞物質(zhì)相互作用和組織工程的理想平臺，受到研究者的廣泛關(guān)注[10,11]。本文擬對GelMA水凝膠在生物醫(yī)用領(lǐng)域的研究新進展進行梳理總結(jié)。

1 止血材料

目前，對于組織損傷常采用傳統(tǒng)的縫合方式，但是當面對肺、肝、腎等薄壁組織損傷時，傳統(tǒng)的縫合方式面臨巨大的挑戰(zhàn)。因為這些內(nèi)臟組織內(nèi)外結(jié)構(gòu)比較一致，不利于縫合線或縫合釘?shù)膹娏o固。在肺部，呼吸作用所施加的重復且快速變化的應力為受損組織的修復帶來額外的風險，增加感染的可能性。而對于可以縫合的組織，也常與粘合劑配合使用以達到更高的封閉效果。此外，對于一些微創(chuàng)手術(shù)，常常沒有足夠的空間進行縫合操作，所以需要一種能夠快速封閉的粘合劑進行操作。

Assmann等[12]開發(fā)了一種基于GelMA的高粘性、可生物降解的光反應粘合劑，通過調(diào)整明膠改性程度、預聚物濃度、光引發(fā)劑濃度和交聯(lián)條件，優(yōu)化GelMA粘合劑的物理性能和粘附力。GelMA粘合劑顯示的粘合性能優(yōu)于臨床使用的纖維蛋白和聚乙二醇基膠水。在小型及大型動物模型的實驗中證明GelMA粘合劑能有效封閉大的肺部泄露，而不需要傳統(tǒng)的縫合。

Hong等[13]開發(fā)了一種在濕表面具有較強粘附力和較強力學性能的粘合劑，主要成分為GelMA和鄰硝基芐基類光扳機分子(NB)修飾的透明質(zhì)酸(HA-NB)。通過紫外光照，GelMA分子上的雙鍵交聯(lián)，形成第一層網(wǎng)絡，HA-NB上的光生醛基與GelMA上的氨基反應交聯(lián)，形成第二層網(wǎng)絡，從而增強了力學性能。同時，HA-NB的光生醛基與組織上的氨基反應，能夠增強膠體在濕面組織上的粘附力。動物實驗證明，對于豬頸動脈損傷，該粘合劑能夠在20 s內(nèi)完全封閉傷口，術(shù)后動物全部存活，無血栓形成。豬左心室壁穿透傷止血實驗發(fā)現(xiàn)，粘合劑能夠在30 s內(nèi)達到止血效果，完全封閉傷口。

2 創(chuàng)傷敷料

皮膚傷口的愈合涉及表皮的再生和結(jié)締組織的修復。真皮組織的再上皮化過程加速了傷口的愈合，并且提供了早期的重建功能性屏障，這對預防過度水分流失和感染至關(guān)重要。因此，再上皮化被認為是皮膚傷口愈合的主要步驟。天然水凝膠是人工表皮的潛在修復材料，目前用于表皮再生的天然水凝膠主要是基于膠原蛋白和明膠材料。

Zhao等[14]使用具有可調(diào)機械性能的可降解GelMA水凝膠制備人工表皮，通過改變水凝膠的濃度調(diào)節(jié)其機械性能和降解性能，并且顯示出很好的細胞活力。細胞實驗還發(fā)現(xiàn)，GelMA水凝膠皮膚能夠支持角質(zhì)形成細胞的生長、分化和分層成為具有足夠屏障功能的重建多層表皮。

可吸收水分和抗感染的可更換傷口敷料可以用于預防慢性傷口的發(fā)展。可更換傷口敷料的主要標準是抑制細胞粘附以防止移除時的疼痛。Resmi等[15]將含有PEG保護的納米銀顆粒的GelMA單體與2-羥丙基異丁烯酸甲酯交聯(lián)制備水凝膠，該水凝膠具有優(yōu)秀的機械性能和保濕性，能夠抑制細菌生長，并且對真皮成纖維細胞沒有粘附特性。

3 組織工程支架

血管網(wǎng)絡的發(fā)展是組織工程的重要目標。血管化是設(shè)計功能性3D組織(如心臟、肝臟、腎臟和骨骼)的關(guān)鍵要求，其為周圍的組織提供營養(yǎng)和氧氣，并促進代謝產(chǎn)物的排出。GelMA水凝膠已經(jīng)成功應用于3D環(huán)境中血管網(wǎng)絡發(fā)展的多項研究中。Chen等[16]和Lin等[17]的研究證明了使用含有內(nèi)皮集落形成細胞(ECFC)和間充質(zhì)干細胞(MSCs)的GelMA水凝膠可作為體內(nèi)和體外的血管形態(tài)發(fā)生支架。這兩項研究均報道了小鼠血管網(wǎng)絡的形成，并與小鼠的脈管系統(tǒng)功能性吻合。將載有ECFC和MSC的GelMA預聚物溶液直接注入小鼠體內(nèi)，然后通過UV光透皮原位聚合形成凝膠。7天后，他們將GelMA水凝膠移出并觀察到在支架內(nèi)形成了均勻穩(wěn)定且互相連接的脈管網(wǎng)絡。

細胞微環(huán)境在改善微工程組織的功能中起著不可或缺的作用。通過對載有細胞的水凝膠進行光圖案化，可以控制工程化組織的微結(jié)構(gòu)。Nichol等[9]運用GelMA水凝膠創(chuàng)建了負載細胞的微組織和微流體裝置。實驗證明，當細胞接種在微圖案化的GelMA水凝膠基底上或包覆在GelMA水凝膠中時，細胞更容易粘附、增殖、伸長和遷移。GelMA水凝膠可用于制備復雜的細胞反應性微組織。

Shin等[18]將GelMA水凝膠中摻雜還原的氧化石墨烯(rGO)用于心臟組織工程材料。實驗證明，rGO結(jié)合到GelMA基質(zhì)中顯著增強了材料的導電性和機械性能。此外，與GelMA水凝膠相比，rGO摻雜的GelMA水凝膠表現(xiàn)出更好的細胞活力和增殖，心肌細胞在rGO-GelMA水凝膠支架上顯示出更強的收縮性和更快的自發(fā)搏動速率。

4 藥物控釋

藥物控釋是GelMA水凝膠的另一個研究領(lǐng)域。Serafim等[19]制備了一系列GelMA-聚丙烯酰胺(PAA)雜化水凝膠，作為基質(zhì)用于控釋萘夫西林鈉(一種常用于葡萄球菌的β-內(nèi)酰胺類抗生素)。通過增加雜化水凝膠中PAA的比例，可以調(diào)節(jié)抗生素的釋放特性。與未雜化的GelMA水凝膠相比，GelMA-PAA雜化水凝膠10 h內(nèi)的藥物釋放率從50%提升到95%。

生物相容性和生物響應性微針是用于持續(xù)藥物釋放的新興技術(shù)平臺，Luo等[20]報道了一種負載抗癌藥物多柔比星(DOX)的GelMA微針。GelMA微針可以有效刺穿小鼠皮膚的角質(zhì)層，通過調(diào)節(jié)交聯(lián)度控制微針的機械性質(zhì)和藥物釋放行為，并證明釋放的藥物對黑素瘤細胞系A(chǔ)375具有抗癌功效。預期GelMA微針可以作為遞送各種治療劑的通用平臺。

5 骨缺損修復

基于GelMA的水凝膠在骨組織工程中，可以通過特定的加工方式，如光刻、微流體、3D打印等，加工制備出仿生人工骨，使其在結(jié)構(gòu)、力學性能和生物學性能方面與天然骨相似。Fang等[21]通過熱致相分離技術(shù)制備了GelMA水凝膠支架，模擬了天然骨細胞外基質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)和化學組成，結(jié)果表明，GelMA水凝膠能夠顯著增強脂肪來源的干細胞(ADSCs)的粘附和活力，提高堿性磷酸酶活性和礦物質(zhì)沉積，以及ADSCs成骨基因的mRNA表達水平。實驗結(jié)果證實，在臨界尺寸的大鼠顱骨骨缺損模型中，GelMA水凝膠和ADSCs的組合能夠顯著增強骨生成。

Visser等[22]制備了包含多功能基質(zhì)細胞(MSCs)和軟骨衍生基質(zhì)(CDM)顆粒的GelMA水凝膠，研究發(fā)現(xiàn)，CDM顆?？稍隗w外通過GelMA水凝膠中的MSCs刺激軟骨模板的形成。在皮下大鼠模型中，該模板隨后被重塑為礦化的骨組織，并且GelMA完全降解。通過在GelMA水凝膠中形成軟骨內(nèi)骨，這項研究為相關(guān)大小的骨移植物的工程化提供了新的途徑。

除上述應用外，GelMA水凝膠在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應用還包括電化學傳感器、DNA載體、細胞培養(yǎng)、吸附劑、手術(shù)導管等。

6 總結(jié)與展望

明膠通過甲基丙烯酸的修飾使改性后的明膠分子具備了紫外光照下聚合生成水凝膠的特性。根據(jù)這一特性，可以通過不同的加工方式，制備不同功能、不同形貌的GelMA水凝膠材料。并且，GelMA材料自身可控的力學性能、降解性能，以及優(yōu)秀的生物相容性，均使其成為一種非常有潛力的生物醫(yī)用材料。

目前，對于GelMA水凝膠的研究有很多，但是在臨床應用前還是面臨很多問題，包括GelMA合成標準、光引發(fā)劑的安全性、凝膠時間的標準，以及水凝膠材料的安全性標準等。展望未來，我們相信，隨著研究工作的不斷深入，GelMA水凝膠及其復合材料一定會在止血、骨修復、組織工程、藥物控釋等領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。