水凝膠在軟骨組織工程中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)展

易鵬綜述 邱波審校

軟骨缺損的修復(fù)、再生是醫(yī)學(xué)研究難題和熱點(diǎn)之一，組織工程已成為軟骨和骨組織重建和再生最常用的方法之一[1]。組織工程主要有2種方法再生缺損的骨軟骨界面和全層軟骨。一種是開發(fā)人造軟骨以模擬天然軟骨組織的結(jié)構(gòu)特征、機(jī)械特性，從而模擬其生物功能。然而，模擬組織和結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜的關(guān)節(jié)軟骨和骨軟骨界面組織的獨(dú)特生物功能仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。另一種為再生醫(yī)學(xué)，即提供適當(dāng)?shù)纳锊牧献鳛槿斯ぜ?xì)胞外基質(zhì)，以促進(jìn)缺損部位的細(xì)胞生長、增殖和分化，利用細(xì)胞和生物分子之間相互作用的天然生物過程促進(jìn)關(guān)節(jié)軟骨和軟骨下骨的再生[2]。

水凝膠是用于組織工程中一種多功能的生物材料，具有與天然細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)相似的獨(dú)特性質(zhì)。理想的水凝膠支架應(yīng)該具備良好的生物相容性、生物降解性、機(jī)械性能、細(xì)胞黏附性，合適的支架孔徑、孔隙率，容易制造和可注射微創(chuàng)治療等特點(diǎn)。但迄今為止尚未研究出一種理想的水凝膠支架。現(xiàn)就水凝膠的材料選擇、性質(zhì)優(yōu)化及水凝膠支架設(shè)計(jì)的最新進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 水凝膠材料概述

1.1 天然生物材料 天然材料含量豐富，由天然聚合物制成的水凝膠通常具有良好的生物相容性、生物降解性和低免疫反應(yīng)性。用于制備水凝膠支架的天然材料主要包括蛋白質(zhì)類如膠原蛋白、明膠和絲素蛋白，多糖類如海藻酸鹽、瓊脂糖、殼聚糖、透明質(zhì)酸和結(jié)冷膠等。

膠原蛋白是細(xì)胞外基質(zhì)中最豐富的結(jié)構(gòu)蛋白成分，約90%的關(guān)節(jié)軟骨干重是Ⅱ型膠原。膠原蛋白具有優(yōu)異的生物學(xué)特性，但其機(jī)械性能較差[3]。明膠是膠原蛋白的水解產(chǎn)物，由許多促進(jìn)細(xì)胞黏附的精氨酸—甘氨酸—天冬氨酸(RGD)序列和促進(jìn)細(xì)胞重塑的基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)靶序列組成。明膠溶液可以在低溫(<30°C)條件下自凝膠化形成物理交聯(lián)水凝膠或通過化學(xué)反應(yīng)形成化學(xué)交聯(lián)水凝膠[4]。絲素蛋白是從蠶絲中提取的天然高分子纖維蛋白，由于其強(qiáng)大的機(jī)械性能，優(yōu)異的生物相容性，緩慢的降解性和豐富的供應(yīng)來源，已成為組織工程應(yīng)用的新型生物材料[5]。

藻酸鹽是天然存在的多糖聚合物之一，通常從棕色海藻和各種細(xì)菌中獲得。藻酸鹽的一個(gè)獨(dú)特性質(zhì)是能夠在室溫下通過二價(jià)陽離子如Ca2+進(jìn)行物理交聯(lián)[6]。瓊脂糖是一種海藻多糖，具有優(yōu)異生物相容性和生物力學(xué)性質(zhì)。殼聚糖是一種線性多糖，衍生自天然幾丁質(zhì)，由葡糖胺和N-乙酰葡糖胺組成。殼聚糖具有良好的生物相容性和生物降解性，其獨(dú)特的細(xì)胞黏附性在水凝膠設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用。透明質(zhì)酸由葡萄糖醛酸和N-乙酰氨基葡萄糖的二糖單元組成的線性多糖，其較弱的機(jī)械性能、較高的膨脹性能、光滑表面結(jié)構(gòu)及不抗酶解等制約了其在組織工程學(xué)上的應(yīng)用。結(jié)冷膠是一種線性陰離子多糖，由四糖重復(fù)單元組成。結(jié)冷膠水凝膠具有獨(dú)特的可注射性，其凝膠化過程可以通過溫度變化和陽離子的存在來調(diào)節(jié)，而無需復(fù)雜的化學(xué)交聯(lián)劑[7]。

1.2 人工合成材料 雖然天然生物材料制備的水凝膠對軟骨形成、細(xì)胞生長、增殖和表型維持顯示出優(yōu)異的生物相容性，但較弱的機(jī)械性質(zhì)和不受控制的降解性限制了它們在軟骨組織工程中的應(yīng)用。用于制備水凝膠支架的人工合成材料主要包括無機(jī)高分子材料如β-磷酸三鈣和有機(jī)高分子材料如聚乳酸(PLA)、聚乙二醇(PEG)和聚羥基乙酸(PGA)及它們的共聚物等。人工合成材料制成的水凝膠由于其化學(xué)結(jié)構(gòu)和分子組成便于調(diào)節(jié)，表現(xiàn)出高度可調(diào)的生物降解性和機(jī)械性質(zhì)等。

2 水凝膠特性

2.1 生物相容性 通常合成生物材料的生物相容性比較差，該問題最常見的解決策略是改變合成生物材料的性質(zhì)或與天然生物材料組合。此外，通過交聯(lián)或者改變材料本身的性質(zhì)也能夠改善支架生物相容性，如利用聚合物上的共軛方式或離子電荷[8]。研究發(fā)現(xiàn)，陽離子的存在會(huì)對水凝膠的生物相容性產(chǎn)生不利影響，用負(fù)電荷可以增強(qiáng)D-寡肽水凝膠的生物相容性[9]。將膠原—?dú)ぞ厶嵌嗫字Ъ芘cγ-輻射和碳二亞胺(CAR)交聯(lián)，利用靜電紡絲技術(shù)制備殼聚糖—明膠復(fù)合支架也可以提高支架的生物相容性[10]。

支架材料的生物相容性越來越受到重視，因?yàn)橹Ъ茏罱K需與臨床結(jié)合，無論是體外培養(yǎng)細(xì)胞或者植入人體內(nèi)，支架性質(zhì)必須有效且安全。設(shè)計(jì)出完美的生物相容性支架是實(shí)現(xiàn)有效組織工程的最終目標(biāo)。

2.2 生物降解性 生物降解是指材料在生物體內(nèi)通過溶解、酶解、細(xì)胞吞噬等作用，在組織長入的過程中不斷從體內(nèi)排出，修復(fù)后的組織完全替代植入材料的位置，而材料在體內(nèi)不存在殘留的性質(zhì)?？刂扑z的生物降解性以匹配細(xì)胞生長和組織修復(fù)的速率對于合理設(shè)計(jì)水凝膠至關(guān)重要。研究發(fā)現(xiàn)降解過快可能導(dǎo)致ECM蛋白的保留減少，而降解過慢會(huì)阻礙細(xì)胞重塑，從而阻礙組織的形成，具有平衡生物降解速率的水凝膠能夠促進(jìn)細(xì)胞新軟骨的形成，并在長期培養(yǎng)后獲得更高的機(jī)械性能[11]。

2.3 機(jī)械性能 水凝膠具有宏觀和微觀水平的機(jī)械性質(zhì)。在宏觀上支架必須承受負(fù)荷，以在組織形成時(shí)為組織提供穩(wěn)定性并實(shí)現(xiàn)維持其體積的功能。在微觀上，黏附在基質(zhì)上的細(xì)胞能夠感知機(jī)械刺激，從而以類似生化信號的方式調(diào)節(jié)許多重要的生理過程。因此，支架必須能夠承受特定的負(fù)荷并以適當(dāng)?shù)姆绞綄⑺鼈儌鬟f給周圍的細(xì)胞和組織。Wang等[12]將軟骨細(xì)胞植入明膠—羥苯基丙酸(Gtn-HPA)水凝膠進(jìn)行體外和體內(nèi)培養(yǎng)，結(jié)果表明，水凝膠剛度可以調(diào)節(jié)軟骨細(xì)胞的功能，影響硫酸化糖胺聚糖的產(chǎn)生、Ⅰ型與Ⅱ型膠原蛋白基因表達(dá)，合適的機(jī)械性能更好地維持軟骨細(xì)胞表型和更高程度的透明樣軟骨修復(fù)。將水凝膠剛度納入軟骨組織工程支架的設(shè)計(jì)變量是控制軟骨細(xì)胞增殖和產(chǎn)生細(xì)胞外基質(zhì)的簡單且有效的手段。

2.4 支架結(jié)構(gòu) 合適的孔徑可以促進(jìn)細(xì)胞穿透和遷移、營養(yǎng)物擴(kuò)散和代謝物質(zhì)去除，并提供誘導(dǎo)細(xì)胞組裝和分化的3D微環(huán)境。多孔結(jié)構(gòu)對于支架與周圍環(huán)境之間的物質(zhì)交換是必需的，其能模仿天然軟骨的結(jié)構(gòu)，此外還能允許周圍組織向內(nèi)生長進(jìn)入構(gòu)建體，從而使構(gòu)建體與天然組織整合。

2.5 細(xì)胞黏附性 良好的細(xì)胞黏附性可以促進(jìn)軟骨細(xì)胞或間充質(zhì)干細(xì)胞的附著、增殖、分化。細(xì)胞黏附參與調(diào)節(jié)細(xì)胞分化、細(xì)胞周期、細(xì)胞遷移和細(xì)胞存活。細(xì)胞與底物的親和力是水凝及支架設(shè)計(jì)和開發(fā)中的重要考慮因素。引入天然多糖、無機(jī)納米粒子或者細(xì)胞黏附肽均可以有效增強(qiáng)水凝膠的細(xì)胞黏附性。

2.6 可注射性 水凝膠的可注射性已經(jīng)吸引了軟骨組織工程應(yīng)用的廣泛關(guān)注，因?yàn)榭勺⑸渌z能夠用微創(chuàng)注入法注入手術(shù)部位，并且形成任何期望的形狀，以匹配不規(guī)則的軟骨缺陷。制備可注射水凝膠可以使用物理方法或化學(xué)方法。物理水凝膠可響應(yīng)溫度，pH或離子濃度的變化，化學(xué)水凝膠可通過各種化學(xué)過程形成，例如酶交聯(lián)、Schiff堿交聯(lián)、Michael加成、點(diǎn)擊化學(xué)和光交聯(lián)等。

3 水凝膠特性在軟骨組織工程中的應(yīng)用

軟骨組織工程學(xué)是工程學(xué)與生物醫(yī)學(xué)尤其是細(xì)胞生物學(xué)相結(jié)合的邊緣科學(xué)，它涉及細(xì)胞、支架材料和包括多種生長因子在內(nèi)的發(fā)育環(huán)境3種基本要素。

組織工程軟骨的構(gòu)建需要具備3個(gè)主要條件：(1)足夠數(shù)量、功水凝膠特性能正常的種子細(xì)胞;(2)合適的細(xì)胞支架;(3)調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、保持細(xì)胞表型特征的細(xì)胞因子 。

為改善人工合成材料的生物相容性，倪茂君等[13]采用輻射交聯(lián)與凍融循環(huán)相結(jié)合的方法，將膠原引入聚乙烯醇(PVA)/聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)水凝膠制成復(fù)合水凝膠支架，其具有均勻分布的三維多孔結(jié)構(gòu),膠原的添加增大水凝膠網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)，顯示出體外細(xì)胞存活率的提高。Sheu等[14]開發(fā)出一種氧化透明質(zhì)酸/白藜蘆醇(Oxi-HA/Res)水凝膠，相比于氧化透明質(zhì)酸(Oxi-HA)水凝膠，其軟骨細(xì)胞活力更強(qiáng)，細(xì)胞毒性顯著減小，優(yōu)異的生物相容性能維持軟骨細(xì)胞表型、增強(qiáng)ECM合成，并促進(jìn)聚集蛋白聚糖和Ⅱ型膠原的基因表達(dá)。

水凝膠的生物降解性必須匹配細(xì)胞生長和組織修復(fù)的速率，如果水凝膠降解太慢，則新組織生長受阻，而降解過快，則可能完全喪失機(jī)械完整性。Lalitha等[15]利用計(jì)算建模研究了可降解水凝膠構(gòu)建體的動(dòng)力學(xué)，結(jié)果顯示，通過利用聚合物交聯(lián)密度和細(xì)胞分布的空間異質(zhì)性，可水解降解的水凝膠可以有效地促進(jìn)新組織生長。朱飛燕等[16]利用羥乙基脫乙酰殼多糖(GC)/二醛基聚乙二醇(OHC-PEG-CHO)水凝膠研究其降解性能，研究結(jié)果證明其降解速率與水凝膠組分濃度有關(guān)。過去還有大量研究證實(shí)材料的氧化度、濃度、不同組分的配比等均可以用來調(diào)節(jié)水凝膠的降解特性，未來的研究有必要進(jìn)一步優(yōu)化水凝膠配方，并達(dá)到針對涉及不同靶向組織的特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的最佳降解速率。

水凝膠支架應(yīng)具有高拉伸和壓縮強(qiáng)度，低摩擦系數(shù)，可以促進(jìn)軟骨細(xì)胞定植和增殖，合成健康的新基質(zhì)。為了提高水凝膠的機(jī)械性質(zhì)，Shin等[17]將甲基丙烯酸化的結(jié)冷膠和明膠進(jìn)行兩步光交聯(lián)組成雙網(wǎng)絡(luò)(DN)水凝膠，其表現(xiàn)出高達(dá)6.9 MPa的壓縮破壞應(yīng)力，接近軟骨的強(qiáng)度。與單網(wǎng)絡(luò)(SN)水凝膠相比，雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠表現(xiàn)出更強(qiáng)的接近軟骨的機(jī)械強(qiáng)度，但是其細(xì)胞相容性較差，因此，他們將硬結(jié)冷膠微凝膠摻入柔軟和富有延展性的明膠水凝膠中制備出微凝膠增強(qiáng)(MR)水凝膠[18]，它們具有更好的機(jī)械強(qiáng)度和生物學(xué)性質(zhì)。Coutinho等[19]研究了交聯(lián)方式對甲基丙烯酸化的結(jié)冷膠水凝膠機(jī)械性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)物理交聯(lián)方法(溫度和陽離子)與化學(xué)交聯(lián)方法(光交聯(lián))的結(jié)合使結(jié)冷膠水凝膠具有高度可調(diào)的物理和機(jī)械性能，而不影響它們的生物相容性。提示可以組合生理學(xué)上相容的交聯(lián)方法來開發(fā)適用于組織工程應(yīng)用的可調(diào)節(jié)機(jī)械性能水凝膠。Erickson等[20]將低密度和高密度的間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)分別封裝在1%、3%和5%(w/v)透明質(zhì)酸水凝膠中培養(yǎng)，并測定構(gòu)建體的機(jī)械性質(zhì)和生化分析，結(jié)果顯示在體外培養(yǎng)9周后，接種高密度MSC的透明質(zhì)酸水凝膠構(gòu)建體在動(dòng)態(tài)培養(yǎng)條件下達(dá)到1 MPa的壓縮模量。動(dòng)態(tài)培養(yǎng)條件確保了間充質(zhì)干細(xì)胞獲得最佳營養(yǎng)途徑，硫酸化糖胺聚糖和膠原蛋白的形成量比在靜態(tài)培養(yǎng)中高30%和29%。證實(shí)細(xì)胞接種密度和培養(yǎng)方式可以改善水凝膠支架的機(jī)械性能，更利于基質(zhì)的沉積。

支架孔徑大小在軟骨組織工程中的應(yīng)用存在許多爭議，諸多研究結(jié)果認(rèn)為支架孔徑與細(xì)胞增殖呈正相關(guān)，但有研究顯示培養(yǎng)期開始時(shí)小孔徑的支架中細(xì)胞數(shù)目的相對增加最大，而在培養(yǎng)期結(jié)束時(shí)，大孔徑的支架有利于細(xì)胞增殖，提示在體外軟骨組織工程的最初步驟中，小支架孔徑和低孔隙率的組合是促進(jìn)軟骨形成的有效策略。Nava等[21]利用溶劑澆鑄或顆粒浸出技術(shù)制造出具有不同孔徑和孔隙度的聚乳酸—三亞甲基碳酸酯支架并接種初級牛關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞，培養(yǎng)2周，結(jié)果顯示隨著支架孔徑和孔隙率的增加，細(xì)胞密度顯著增加，與其他學(xué)者的研究結(jié)果基本一致，這些研究認(rèn)為，細(xì)胞數(shù)量、DNA含量、GAG和Ⅱ型膠原含量均隨支架孔徑和孔隙率的增加而增加。然而Nava等[21]和Stenhamre等[22]的結(jié)果還發(fā)現(xiàn)隨支架孔徑增加，細(xì)胞代謝活性和細(xì)胞外基質(zhì)的合成均顯著降低。結(jié)果的差異性可能是由于3D培養(yǎng)因素的復(fù)雜性，這可能會(huì)影響細(xì)胞滲透、分配和養(yǎng)分?jǐn)U散，還可能與支架使用的材料有關(guān)。一種比較合理的解釋認(rèn)為支架的大孔徑具有較好的營養(yǎng)供應(yīng)、氣體擴(kuò)散和代謝廢物消除特點(diǎn)，但也會(huì)使細(xì)胞附著和細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)減弱，而小孔與此恰恰相反。近期研究通過結(jié)合熱致相分離技術(shù)和淋鹽技術(shù)成功制備出具有分層纖維和孔徑結(jié)構(gòu)的聚乳酸—脫乙酰殼聚糖復(fù)合支架，該支架為大孔和微孔高度互連的結(jié)構(gòu)且具有高孔隙率，測試表明這種分層的微觀結(jié)構(gòu)不僅有利于蛋白質(zhì)吸附和細(xì)胞黏附增殖，還可改善機(jī)械性能和支架完整性，顯示出應(yīng)用于軟骨組織工程的前景。

聚乙烯醇(PVA)具有優(yōu)良的生物相容性、機(jī)械強(qiáng)度和韌性，被廣泛用于生物醫(yī)學(xué)[23]，然而由于其固有的細(xì)胞非黏性限制了細(xì)胞生長和與外周組織的整合，研究者采用各種方法來改善其細(xì)胞黏附性，Hou等[24]研究了天然多糖和無機(jī)納米粒子對非黏性PVA水凝膠細(xì)胞黏附和生長的協(xié)同作用[25-26]。結(jié)果證實(shí)，F(xiàn)e2O3和羥基磷灰石(nHAP)納米顆粒對增強(qiáng)聚乙烯醇水凝膠細(xì)胞黏附性具有協(xié)同作用，透明質(zhì)酸(HA)和硫酸軟骨素(CS)組合比單一HA或CS顯著增強(qiáng)PVA水凝膠軟骨細(xì)胞黏附和增殖，同時(shí)磁性復(fù)合納米顆粒和多糖在增加軟骨細(xì)胞黏附和增殖方面也具有協(xié)同作用。天然多糖和磁性PVA的復(fù)合水凝膠在軟骨組織工程的應(yīng)用中具有巨大潛力。此外，將細(xì)胞黏附肽引入水凝膠支架也是一種有效的方法，諸多文獻(xiàn)證實(shí)，細(xì)胞與ECM之間的相互作用對于生物系統(tǒng)是必不可少的，而各種ECM分子含有特定的肽序列，使其能夠直接與細(xì)胞表面受體結(jié)合，最佳序列之一是首先在纖連蛋白中發(fā)現(xiàn)的精氨酸—甘氨酸—天冬氨酸序列(RGD)，Re'em等[27]將RGD肽固定在大孔藻酸鹽支架上，結(jié)果顯示支架表現(xiàn)出增強(qiáng)的細(xì)胞黏附性，促進(jìn)了細(xì)胞的增殖。

PNIPAAm是一種衍生自聚丙烯酸的反向溫度敏感聚合物，在約32℃的臨界溶解溫度下具有快速相變，Ren等[28]通過原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)將PNIPAAm與明膠復(fù)合，形成在生理溫度下產(chǎn)生溶膠—凝膠轉(zhuǎn)變的可注射水凝膠。此外還有離子敏感、應(yīng)力敏感、pH敏感等多種物理方法可以改變水凝膠的可注射性。Cheng等[29]利用殼聚糖的氨基官能團(tuán)與葡聚糖醛的醛基在水溶液中的Schiff反應(yīng)也可制備出可注射的羧甲基殼聚糖—葡聚糖醛(CMC-DA)復(fù)合水凝膠?？勺⑸渌z更容易填充缺損位點(diǎn)，牢固地附著并與周圍天然軟骨組織整合，Chen等[30]在辣根過氧化物酶(HRP)和過氧化氫(H2O2)的作用下通過酶促交聯(lián)得到羧甲基支鏈淀粉—酪胺(CMP-TA)和硫酸軟骨素—酪胺(CS-TA)綴合物的可注射水凝膠，結(jié)果顯示軟骨細(xì)胞的生存和增殖等細(xì)胞功能,Ⅰ型膠原蛋白、Ⅱ型膠原蛋白、聚集蛋白聚糖的表達(dá)水平及合成細(xì)胞外基質(zhì)的積累均顯著增強(qiáng)。水凝膠良好的可注射性將極大地推動(dòng)其在軟骨組織工程中的應(yīng)用。

4 小 結(jié)

雖然在水凝膠材料選擇和制作研究上已取得很大進(jìn)展，但仍未能制造出一種具有最佳性質(zhì)的水凝膠實(shí)現(xiàn)軟骨組織再生。其面臨許多問題有待解決，例如，如何將這些方法結(jié)合在一種水凝膠支架中？結(jié)合這些不同的方法是否會(huì)產(chǎn)生沖突？如何設(shè)計(jì)合理可行的個(gè)體化支架以實(shí)現(xiàn)可調(diào)控范圍內(nèi)性質(zhì)的最優(yōu)化？此外，軟骨組織工程要重建的是具有復(fù)雜生理功能的軟骨組織，因此必須形成足夠的Ⅱ型膠原蛋白，蛋白聚糖和其他細(xì)胞外基質(zhì)成分，這需要大量軟骨細(xì)胞來產(chǎn)生足夠的ECM，而軟骨細(xì)胞增殖非常緩慢，在長時(shí)間的擴(kuò)張期間，它們很容易失去其表型并去分化為成纖維細(xì)胞[31]。這些問題與挑戰(zhàn)也將是未來軟骨組織工程研究的方向。