刺激響應(yīng)型水凝膠在骨修復(fù)中的應(yīng)用綜述

高建朋，李 明，唐佩福 解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學中心 骨科，北京 00853； 國家骨科與運動康復(fù)臨床醫(yī)學研究中心，北京 00853

衰老、疾病、創(chuàng)傷等因素引起的骨缺損對人體產(chǎn)生極大危害，因此需要有效的治療方法實現(xiàn)骨組織的修復(fù)和再生。在過去的數(shù)十年中，骨移植是治療骨缺損的金標準[1]。然而，由于骨移植材料來源匱乏、異體骨移植的供體骨組織不健全、感染與并發(fā)癥風險等，骨移植的應(yīng)用受到限制[2-3]。因此骨移植替代材料的研發(fā)受到學者們的關(guān)注。骨修復(fù)是由骨細胞、成骨細胞、破骨細胞[三種細胞組成的基礎(chǔ)多細胞單元(basic multicellular units，BMUS)]作為一個有機整體共同參與的過程。BMUS作用于骨膜、骨小梁表面以及骨皮質(zhì)，導(dǎo)致舊骨的吸收與新骨的生成。然而，BMUS的黏附、增殖與分化依賴于良好的細胞微環(huán)境，即細胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)，因此模擬天然 ECM 是構(gòu)造組織工程支架的關(guān)鍵[4]。其中水凝膠因為其良好的生物相容性、生物降解性、親水性已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學領(lǐng)域，為細胞的黏附、遷移和分化提供了可調(diào)的三維支架[5]。然而，傳統(tǒng)水凝膠存在機械性能不足、降解速率與骨再生不匹配、材料植入方法單一等缺點。此外，在復(fù)雜骨缺損的治療中，傳統(tǒng)水凝膠無法精確填補不規(guī)則的缺損部位，這些不足嚴重限制了其在骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用。近年來，隨著骨組織工程技術(shù)的迅速發(fā)展，“刺激響應(yīng)型水凝膠”被引入骨修復(fù)領(lǐng)域，其能夠感受溫度、光照、pH和磁場等外界物理化學刺激，進而在三維形狀、固液相態(tài)等性質(zhì)上觸發(fā)轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生可注射性、自愈合性、形狀記憶等性能，使骨修復(fù)的治療實現(xiàn)微創(chuàng)化，并且可以精準匹配復(fù)雜的骨缺損，這使其成為骨組織工程中新的支架材料[6]。本文就不同類型刺激響應(yīng)型水凝膠在骨缺損修復(fù)中的研究進行綜述，旨在為骨缺損修復(fù)提供新的思路與方法。

1 溫度響應(yīng)型水凝膠

溫度響應(yīng)型水凝膠簡稱溫敏水凝膠，其利用從室溫到體溫的溫度差產(chǎn)生物理和化學變化，從而進行狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。溫敏水凝膠通常同時具備親水和疏水基團，具有溫度響應(yīng)的相轉(zhuǎn)變性質(zhì)，在某 一 臨 界 溶 液 溫 度(critical solution temperature，CST)時會與溶劑產(chǎn)生親和力的變化，進行溶脹-收縮狀態(tài)轉(zhuǎn)變，即溶膠-凝膠狀態(tài)轉(zhuǎn)變，這一溫度轉(zhuǎn)變點稱為最低臨界溶解溫度(lowest critical solution temperature，LCST)或最高臨界溶解溫度(utmost critical solution temperature，UCST)，若低于某一溫度時發(fā)生溶脹，此溫度稱之為LCST，反之則為UCST[7]。

應(yīng)用于骨修復(fù)的最常見的LCST型溫敏水凝膠為聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)及其衍生物，作為溫敏納米凝膠的原料，通過在NIPAAm中加入親水性更強的丙烯酰胺(AAm)，使納米凝膠的LCST從32℃上升至37℃，更加接近于人體體溫。Yoshimatsu等[8]合成了聚(NIPAAm-co-AAm)共聚物，并通過自由基聚合法制備了其納米凝膠。納米凝膠的直徑為50～450 nm，體積相變溫度為37℃～43℃。研究人員在動物體內(nèi)，結(jié)合近紅外熒光團進行熱靶向試驗，結(jié)果表明通過控制納米凝膠的LCST和組織加熱過程可在特定的位置進行凝膠的輸送。并且還可以將抗腫瘤藥物負載到溫度響應(yīng)型納米凝膠上。在因腫瘤導(dǎo)致的骨缺損中，這種納米凝膠可以靶向治療癌癥及其導(dǎo)致的骨缺損。聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)和聚己內(nèi)酯(polycaprolactone，PCL)的共聚物也是較為常見的LCST型水凝膠。Ni等[9]研究了一種可注射的、作為骨組織工程熱誘導(dǎo)材料的PEG-PCL-PEG水凝膠，在37℃以上時PEG-PCLPEG水溶液從溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟z且降至10℃時可逆性恢復(fù)。這種水凝膠在治療骨組織缺損時具有微創(chuàng)、高精準匹配度等優(yōu)點。Fu等[10]將膠原和羥基磷灰石結(jié)合于PEG-PCL-PEG共聚體中制成水凝膠，其生物相容性和仿生微結(jié)構(gòu)的增強使其在骨缺損治療中具有優(yōu)異的性能。

常見的UCST型溫敏材料為聚丙烯酸[11]、明膠[12]等。但其在骨修復(fù)中的應(yīng)用較少，可能與其UCST較高有關(guān)，較高的溶膠狀態(tài)溫度容易對機體造成損害，不利于材料的植入與骨的形成。

2 pH響應(yīng)型水凝膠

pH響應(yīng)型水凝膠是由聚合物主鏈和離子側(cè)基組成的對酸堿度敏感的水凝膠，通過吸收或釋放質(zhì)子響應(yīng)周圍酸堿度的變化，從而進行溶脹與收縮的轉(zhuǎn)換[13]。隨著周圍環(huán)境的pH值到達pKa或pKb，對酸堿度敏感的水凝膠中的離子強度會發(fā)生顯著變化，離子基團中產(chǎn)生強烈的靜電排斥力，導(dǎo)致體積的驟變。根據(jù)帶電基團的電荷性質(zhì)，將pH響應(yīng)型水凝膠分為兩類，陰離子水凝膠和陽離子水凝膠。陰離子水凝膠攜帶負電荷基團，包括羧酸、磺酸等[14]。在高酸堿度環(huán)境下(pH＞pKa)，排斥帶電基團導(dǎo)致水凝膠發(fā)生溶脹[15]。同理，在低酸堿度環(huán)境下(pH＞pKb)，帶有氨基等正電荷基團的陽離子水凝膠發(fā)生改變[16]。同時有學者指出，為了更好地模擬天然的細胞外基質(zhì)，應(yīng)該使用弱聚合電解質(zhì)來合成對酸堿度敏感的水凝膠。弱聚合電解質(zhì)中的離子強度可以通過改變?nèi)芤旱乃釅A度來平滑地調(diào)節(jié)，以達到所需的機械性能[17]。

最常見的pH響應(yīng)型水凝膠是通過三嵌段拓撲結(jié)構(gòu)的共聚，在其疏水末端引入弱電解質(zhì)，從而形成的硬度可調(diào)性良好、pH高度可控的水凝膠[18-19]。Yoshikawa等[20]利用pH敏感的PDPA和PMPC合成了三嵌段共聚物。只需在一個狹窄的生理相關(guān)范圍內(nèi)調(diào)節(jié)溶液pH，就能生產(chǎn)出楊氏模數(shù)為1.4～40 kPa的高度可調(diào)的水凝膠。這種水凝膠即使在復(fù)雜的應(yīng)力情況下，仍可很好地進行自然環(huán)境的模擬，在處理不同骨缺損導(dǎo)致的復(fù)雜應(yīng)力時有著廣泛的應(yīng)用。Lundberg等[21]通過合成的硫醇功能化組胺對三嵌段共聚物進行官能化，獲得了機械性能高度依賴于pH的水凝膠。在pH 5.0～8.0的范圍內(nèi)，水凝膠的硬度提高了5倍，并且在不同細胞系的體外實驗中證實了水凝膠的生物相容性，大大提高了水凝膠支架的力學性能，在大段骨缺損修復(fù)中有很大的應(yīng)用前景。

3 光響應(yīng)型水凝膠

光作為一種遠程刺激，可以在空間和時間上呈現(xiàn)精確的控制[22]。光響應(yīng)型水凝膠通常包括聚合物網(wǎng)絡(luò)和光反應(yīng)部分[23]，其可以根據(jù)不同的光反應(yīng)分為兩類：光致變色基團，如鄰硝基芐基，其作為功能部分與水凝膠共價結(jié)合[24]；可溶性光引發(fā)劑，如Irgacure 2959[25]、苯基-2,4,6-三甲基苯甲?；⑺徜嘯26]和曙紅Y[27]，其不是通過共價連接的，而是懸浮在水凝膠形成的網(wǎng)絡(luò)中[28]。

對于第一類水凝膠，光信號先被光致變色分子捕捉，然后通過生色團轉(zhuǎn)換為化學信號[29]。這類水凝膠可以通過改變光響應(yīng)水凝膠的基質(zhì)實現(xiàn)對材料力學的操縱[30-31]，如可以通過將線性官能化聚丙烯酰胺(polyacrylamide，PA)與光敏劑交聯(lián)，制備可調(diào)節(jié)硬度的水凝膠[32]。Lee等[33]制備的光誘導(dǎo)AZO-PA水凝膠，其硬度隨著可見光波長的改變而改變，其降解速率也與骨生成時間相匹配，并且通過間充質(zhì)干細胞驗證了其生物相容性，這種硬度可調(diào)的水凝膠支架有望在不同位置的骨缺損中發(fā)揮重要作用。對于第二類水凝膠，光引發(fā)劑在光照下會分解成自由基，從而促進聚合反應(yīng)[26]。如Khetan等[25]報道了一種逐步制備甲基丙烯酸透明質(zhì)酸水凝膠的方法，通過將二硫蘇糖醇引入甲基丙烯酸透明質(zhì)酸溶液中來實現(xiàn)水凝膠的初始凝膠化。當初始化水凝膠被光引發(fā)劑Irgacure 2959溶脹時，水凝膠可能會通過剩余甲基丙烯酸酯基團的自由基聚合而迅速變硬。因此，這兩種類型的光反應(yīng)水凝膠都可以調(diào)節(jié)水凝膠的物理或化學性質(zhì)。光反應(yīng)部分對特定的波長很敏感，這可以加強對光響應(yīng)性水凝膠的控制[34]。

4 氧化還原響應(yīng)型水凝膠

氧化還原響應(yīng)型水凝膠是一種能夠?qū)ζ浣M成分子的還原和氧化做出反應(yīng)的材料。氧化還原響應(yīng)型水凝膠通過在聚合物主干內(nèi)的部分亞基發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使相反離子涌入以平衡新形成的電荷，最終導(dǎo)致材料的膨脹反應(yīng)[35]。

不同的金屬離子賦予材料不同的氧化還原響應(yīng)性，從而使其擁有不同的力學性能。如鋅和銅雙離子誘導(dǎo)的水凝膠可將硬度調(diào)節(jié)至0.179～9.53 MPa，從而促進人骨髓間充質(zhì)干細胞分化[36]。鈣離子可以將水凝膠的力學性能從0.7 MPa提高至1.7 MPa，并且在保證其生物相容性的基礎(chǔ)上賦予水凝膠形狀記憶功能[37]。鐵離子被認為是生物醫(yī)學應(yīng)用中一種很有前途的交聯(lián)劑，通過三價鐵離子和二價鐵離子兩種氧化態(tài)之間轉(zhuǎn)換，可以使水凝膠具有氧化還原響應(yīng)性和可調(diào)的力學性能。這彌補了單純水凝加支架機械性能的不足。Papanikolaou和Pantopoulos[38]設(shè)計了一種新型的氧化還原水凝膠，它可以通過氧化還原反應(yīng)，完成二價鐵離子與三價鐵離子之間的切換，從而在軟態(tài)(0.06 MPa)和硬態(tài)(2.1 MPa)之間進行可逆循環(huán)。大量學者研究了金屬離子與材料機械性能之間的關(guān)系，他們也證實了氧化還原反應(yīng)對于水凝膠硬度的調(diào)節(jié)可以促進骨再生。然而關(guān)于金屬離子與生物礦化之間的關(guān)系還需進一步研究，這或許會成為將來研究的熱點問題。

5 磁響應(yīng)型水凝膠

磁響應(yīng)型水凝膠通常由基質(zhì)水凝膠和加入到基質(zhì)中的磁性成分制成，因其對于外部磁場的磁性反應(yīng)和其特殊功能結(jié)構(gòu)，可遠程調(diào)節(jié)細胞、組織或器官周圍環(huán)境的物理、生化和機械性質(zhì)[39]。磁性水凝膠的特性取決于磁性顆粒和水凝膠的組成、磁性顆粒和水凝膠的濃度以及磁性顆粒在水凝膠中的大小和均勻性。

目前已有的研究主要集中于含磁性納米顆粒的水凝膠在骨修復(fù)中的應(yīng)用。羥基磷灰石(hydroxyapatite，HAP)是天然骨無機物質(zhì)中最重要的成分之一，其具有良好的生物相容性和骨傳導(dǎo)性，且在生物礦化中起著關(guān)鍵作用，因此HAP廣泛用作磁性復(fù)合水凝膠的基質(zhì)[40-41]。Iqbal等[42]合成了納米羥基磷灰石包覆的γ-Fe2O3納米粒子(mnHAP)，然后將其加入聚乙烯醇(polyvinylalcohol，PVA)溶液中，制備了m-nHAP/PVA水凝膠。PVA表現(xiàn)出極好的生物相容性、較高的機械性能和緩慢的生物降解性，這對其在骨修復(fù)中的應(yīng)用至關(guān)重要。隨著m-nHAP含量的增加，水凝膠內(nèi)部的孔徑逐漸增大，這有利于養(yǎng)分的交換并且使成骨細胞的黏附和增殖顯著增加[43]。

6 其他響應(yīng)型(葡萄糖、酶、離子等)水凝膠

葡萄糖響應(yīng)型水凝膠可隨著環(huán)境葡萄糖濃度的改變而改變自身溶脹行為，較常見的葡萄糖響應(yīng)型水凝膠為伴刀豆球蛋白A(concanavalin A，Con A)水凝膠和葡萄糖氧化酶水凝膠。1978年Yatvin等[44]通過Con A制造了首個葡萄糖響應(yīng)胰島素遞送系統(tǒng)，葡萄糖能夠使Con A-聚合物復(fù)合物解離進而釋放胰島素。另一種則是利用葡萄糖氧化酶反應(yīng)對高濃度血糖區(qū)域進行識別，從而促進胰島素的釋放[45]。

由于酶在機體活動中發(fā)揮著重要的作用，因此有學者研究了對酶異常做出響應(yīng)的水凝膠，如存在血凝塊時，凝血酶將水凝膠聚合物中的肽降解，從而釋放出由其包裹的肝素，實現(xiàn)抗凝作用，釋放出的肝素又可以抑制凝血酶的活性，進行實現(xiàn)對自身釋放的調(diào)節(jié)[46]。

體液中不同的離子強度也可以成為一個靶向目標，越來越多的學者對此進行了研究[47]。然而除了單純對離子強度敏感外，復(fù)合材料水凝膠也可以實現(xiàn)對特定的離子類型做出響應(yīng)，有學者指出基于β-環(huán)式糊精和疏水2,2-聯(lián)吡啶的離子響應(yīng)型水凝膠，可以通過其金屬配體與宿主基團的反應(yīng)變化導(dǎo)致其化學選擇黏附性能發(fā)生改變[48]。

另外還有許多對其他刺激響應(yīng)的水凝膠，如ATP、電、水、核酸等[49]，這些刺激反應(yīng)性水凝膠更多應(yīng)用于藥物輸送與疾病監(jiān)控，在骨組織工程中的應(yīng)用相對較少，開發(fā)更多應(yīng)用于骨組織的刺激響應(yīng)型水凝膠是當務(wù)之急。

7 結(jié)語

過去10年間生物響應(yīng)材料得到了迅速的發(fā)展，上述幾種刺激響應(yīng)型水凝膠是制備組織工程支架的典型代表材料。刺激響應(yīng)型水凝膠不僅具有傳統(tǒng)水凝膠的高度親水性、良好的生物相容性等優(yōu)點，同時又有可調(diào)控的刺激響應(yīng)性，這使其廣泛應(yīng)用于骨組織工程中。然而，雖然已經(jīng)有很多學者肯定了通過生物響應(yīng)型水凝膠進行骨修復(fù)的療效，但其對大段骨缺損的治療效果尚未達到預(yù)期，這可能是因為在微創(chuàng)治療骨缺損的同時，材料的機械強度與降解速率很難與骨再生的速度達到完美匹配。因此，刺激響應(yīng)型3D水凝膠在具有生物相容性、骨傳導(dǎo)性、骨誘導(dǎo)性、成骨作用的同時，應(yīng)具備與其降解速率相匹配的力學性能，以滿足大段骨缺損修復(fù)的復(fù)雜要求。另一個比較大的挑戰(zhàn)是生物材料與體內(nèi)局部微環(huán)境的結(jié)合程度。生物材料植入后，微環(huán)境的改變對骨形成有很大的影響，因此實時監(jiān)測材料在體內(nèi)產(chǎn)生的變化至關(guān)重要。相信隨著骨組織工程的不斷進步，刺激響應(yīng)型水凝膠會快速發(fā)展，從而為骨缺損的臨床治療提供更多的方案。