新型水凝膠材料修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨損傷研究進(jìn)展

白浪 韓啟斌 楊興 郝躍峰

近年來(lái)，在傳統(tǒng)水凝膠材料研究的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)新型水凝膠材料，已經(jīng)成為修復(fù)軟骨損傷的研究熱點(diǎn)。水凝膠是由親水性聚合物經(jīng)水膨脹后形成的一種交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)材料，含水量、彈性、柔軟性、力學(xué)強(qiáng)度及孔隙率均較高，適宜負(fù)載藥物和細(xì)胞。過(guò)去由于技術(shù)條件的限制，水凝膠材料在修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨損傷方面的諸多優(yōu)勢(shì)沒(méi)能夠有效發(fā)揮。目前，通過(guò)改性、雜化等新技術(shù)制備的新型水凝膠材料越來(lái)越受到重視。

1 天然高分子水凝膠

1.1 殼聚糖水凝膠

殼聚糖是由β-氨基葡萄糖和N-乙酰氨基葡萄糖單元組成的聚陽(yáng)離子線性多糖，來(lái)源于幾丁質(zhì)。殼聚糖鏈上有帶正電荷的氨基，便于藥物結(jié)合及功能基團(tuán)接入。Yu等[1]通過(guò)形成亞胺鍵連接功能基團(tuán)，制備了pH敏感型殼聚糖水凝膠，該水凝膠可根據(jù)關(guān)節(jié)軟骨損傷處關(guān)節(jié)液pH值變化適應(yīng)性地改變體積，并適時(shí)輸送負(fù)載藥物修復(fù)軟骨。同時(shí)，殼聚糖具有優(yōu)異的細(xì)胞黏附性，因此殼聚糖水凝膠可廣泛應(yīng)用于負(fù)載間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)[2-3]。Ravundran等[2]以殼聚糖水凝膠為主體并結(jié)合細(xì)胞外基質(zhì)制備了一種軟骨支架，該支架不僅可以負(fù)載MSC并支持MSC在支架內(nèi)增殖、分化，而且其中可阻礙干細(xì)胞向軟骨細(xì)胞分化的血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子及骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2含量均極低，有利于軟骨組織修復(fù)。然而，該研究中的殼聚糖水凝膠也存在溶解度低、黏度高及力學(xué)強(qiáng)度差等缺陷，可能阻礙透明軟骨產(chǎn)生。

將殼聚糖與其他材料雜化已經(jīng)成為克服殼聚糖水凝膠溶解度低、黏度過(guò)高及力學(xué)強(qiáng)度差等缺點(diǎn)的熱門解決方案。Lee等[4]將殼聚糖與結(jié)冷膠混合制備水凝膠，在降低該水凝膠黏度的同時(shí)使其壓縮模量達(dá)到15 kPa，故該水凝膠不僅可以提供足夠的力學(xué)支持，而且可以促進(jìn)軟骨細(xì)胞基因的表達(dá)。Zhang等[5]制備的聚谷氨酸-殼聚糖水凝膠不僅黏度低，而且可以誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞表達(dá)，使修復(fù)后的軟骨組織更接近透明軟骨。Liu等[6]報(bào)道，殼聚糖-絲素蛋白水凝膠的彈性及力學(xué)強(qiáng)度較單純殼聚糖水凝膠均有大幅提升，可以在關(guān)節(jié)腔內(nèi)支持軟骨細(xì)胞生長(zhǎng)，并能有效維持軟骨細(xì)胞表型。

1.2 海藻酸鈉水凝膠

海藻酸鈉是海藻酸的鹽衍生物，是從褐藻中分離得到的一種天然線性多糖，由L-甘露糖醛酸和L-葡萄糖醛酸殘基聚合而成。該水凝膠具有柔軟性和膠凝性，為天然的可注射水凝膠，在治療軟骨損傷方面其臨床可操作性高。經(jīng)高碘酸鈉處理后的海藻酸鈉水凝膠部分羥基可轉(zhuǎn)化為醛基并與軟骨上的氨基結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)軟骨黏附，有利于再生過(guò)程中材料與軟骨整合。Khatab等[7]利用海藻酸鈉水凝膠負(fù)載MSC，該水凝膠一方面能夠?yàn)楦杉?xì)胞提供物理屏障，使同種異體干細(xì)胞免受宿主免疫系統(tǒng)的攻擊，另一方面則允許生物因子相互交換，使干細(xì)胞在大鼠關(guān)節(jié)腔內(nèi)軟骨損傷處存活8周以上，故可用于修復(fù)大鼠關(guān)節(jié)軟骨損傷。然而，該研究中的海藻酸鈉水凝膠存在力學(xué)強(qiáng)度和細(xì)胞黏附性差以及體內(nèi)降解速率過(guò)快等缺點(diǎn)，因而可能限制藥物作用的時(shí)間，并阻礙MSC增殖與分化。

為解決細(xì)胞黏附性和力學(xué)強(qiáng)度差的問(wèn)題，研究者們提出將海藻酸鈉水凝膠與其他材料雜化的方案，并證實(shí)硫酸軟骨素[8]、透明質(zhì)酸[9]或聚甲基丙烯酸酯[10]等均可顯著提升海藻酸鈉水凝膠的細(xì)胞黏附性與力學(xué)強(qiáng)度，雜化后的水凝膠壓縮模量可達(dá)10～20 kPa。Stagnaro等[10]將海藻酸鈉與聚甲基丙烯酸酯雜化后，水凝膠的彈性模量最高可達(dá)40 kPa，可促進(jìn)MSC在軟骨損傷部位增殖與分化。為解決海藻酸鈉水凝膠降解速率過(guò)快的問(wèn)題，研究者們嘗試使用多種交聯(lián)方式，包括使用Sr2+[11]進(jìn)行離子交聯(lián)、使用鄰苯二酚[12]進(jìn)行共價(jià)交聯(lián)、接入酪氨酸后利用酪氨酸酶[13]交聯(lián)及加入絲素蛋白[14]后形成化學(xué)-物理雙交聯(lián)等。與傳統(tǒng)使用Ca2+交聯(lián)方式相比，這些交聯(lián)方法可將降解時(shí)間延長(zhǎng)至2倍以上，有效延長(zhǎng)給藥時(shí)間，促進(jìn)新生軟骨組織形成。

1.3 透明質(zhì)酸水凝膠

透明質(zhì)酸是由N-乙酰氨基葡萄糖和葡萄糖醛酸組成的雙糖單位，是軟骨細(xì)胞外基質(zhì)的主要組成部分，具有生物活性，可以為軟骨細(xì)胞提供與生理?xiàng)l件相似的微環(huán)境，并誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞基因表達(dá)。Zhu等[15]制備了不同透明質(zhì)酸濃度的水凝膠，發(fā)現(xiàn)與含1.5%透明質(zhì)酸的水凝膠相比，含5%透明質(zhì)酸的水凝膠誘導(dǎo)的軟骨標(biāo)記基因Aggrecan和Sox9表達(dá)可達(dá)10倍之多，證實(shí)透明質(zhì)酸水凝膠具有可誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞表達(dá)的生物活性，可直接修復(fù)軟骨損傷。同時(shí)，透明質(zhì)酸水凝膠具有彈性高、硬度低的特點(diǎn)，可發(fā)揮促進(jìn)MSC向軟骨細(xì)胞分化和誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞增殖的作用[16-17]。基于上述特點(diǎn)，許多研究直接將透明質(zhì)酸水凝膠用作軟骨組織工程的支架材料[18-20]。Yan等[21]在一項(xiàng)長(zhǎng)達(dá)12個(gè)月的隨訪研究中，利用負(fù)載卡托根素納米微粒的透明質(zhì)酸水凝膠修復(fù)豬股骨內(nèi)側(cè)髁部負(fù)重區(qū)軟骨缺損，發(fā)現(xiàn)透明質(zhì)酸水凝膠可促進(jìn)MSC黏附、增殖和分化，其高度交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可使增殖細(xì)胞的形態(tài)趨近于圓形而非延伸形，從而最大限度地促進(jìn)軟骨組織形成，但其修復(fù)8.5 mm缺損的效果明顯遜于修復(fù)6.5 mm缺損的效果，可能與透明質(zhì)酸水凝膠降解速率過(guò)快有關(guān)。

透明質(zhì)酸水凝膠降解過(guò)快導(dǎo)致其負(fù)載的藥物無(wú)法持續(xù)輸送至軟骨，將透明質(zhì)酸改性即可解決這一問(wèn)題。最常見(jiàn)的方案是將其甲基丙烯酸化后再進(jìn)行紫外光交聯(lián)，從而形成甲基丙烯酸透明質(zhì)酸。Shi等[22]使用甲基丙烯酸透明質(zhì)酸水凝膠輸送藥物進(jìn)行軟骨修復(fù)，水凝膠的降解時(shí)間可延長(zhǎng)至3周以上，有效維持了局部藥物濃度。另一種方案是利用鄰硝基苯甲醇基團(tuán)對(duì)透明質(zhì)酸進(jìn)行部分改性[23-24]，使其不僅具備較強(qiáng)的軟骨組織黏附性，而且其降解時(shí)間可延長(zhǎng)至2周以上，故能有效維持細(xì)胞外基質(zhì)在軟骨損傷部位的沉積和重塑。

1.4 明膠水凝膠

明膠是膠原部分水解后的產(chǎn)物，其交聯(lián)條件簡(jiǎn)單，低溫下即可自發(fā)交聯(lián)，且具備一定的細(xì)胞黏附性，也可促進(jìn)MSC向軟骨細(xì)胞分化。但明膠水凝膠存在熱穩(wěn)定性差、降解速率過(guò)快、力學(xué)強(qiáng)度差等問(wèn)題，導(dǎo)致其難以應(yīng)用于修復(fù)軟骨損傷[25]。

van den Bulcke等[26]通過(guò)制備甲基丙烯酰胺基明膠(GelMA)水凝膠解決了明膠熱穩(wěn)定性差及降解速率過(guò)快的問(wèn)題。Pahoff等[27]研究發(fā)現(xiàn)，使用不同來(lái)源的明膠及不同光引發(fā)劑制備的GelMA水凝膠均能促進(jìn)軟骨細(xì)胞的黏附與增殖，且GelMA水凝膠本身熱穩(wěn)定性好，降解時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)數(shù)周，有利于細(xì)胞外基質(zhì)沉積和新生軟骨組織形成。目前，GelMA水凝膠已廣泛應(yīng)用于修復(fù)動(dòng)物軟骨損傷[28-29]。然而，GelMA水凝膠的力學(xué)強(qiáng)度較差，在一定程度上不利于軟骨修復(fù)。為解決這一問(wèn)題，Han等[30]將GelMA水凝膠與聚丙烯酰胺雜化后制備了一種新型水凝膠，該水凝膠抗壓強(qiáng)度和儲(chǔ)能模量分別可達(dá)0.38 MPa和1 kPa，均較雜化前的GelMA水凝膠提升2倍以上，將該水凝膠作為高力學(xué)強(qiáng)度軟骨支架搭載生長(zhǎng)因子可明顯提升軟骨細(xì)胞基因的表達(dá)，能完全修復(fù)兔的膝關(guān)節(jié)軟骨全層缺損。Wang等[31]研究發(fā)現(xiàn)，將明膠和羥基苯丙酸雜化后制備的水凝膠的儲(chǔ)能模量可達(dá)2.75 kPa，其高力學(xué)強(qiáng)度可誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞分泌硫酸化蛋白多糖及Ⅱ型膠原，并促進(jìn)新生關(guān)節(jié)軟骨組織生成。

2 合成高分子水凝膠

2.1 聚乙二醇水凝膠

聚乙二醇(PEG)水凝膠彈性、含水量和力學(xué)強(qiáng)度均較大，因而在軟骨損傷修復(fù)中最常用[32]。Mohanraj等[33]利用PEG水凝膠作為藥物載體修復(fù)軟骨損傷。然而，PEG的化學(xué)組成不包含生物識(shí)別位點(diǎn)[34]，不具備軟骨細(xì)胞黏附性，因此需要對(duì)PEG水凝膠進(jìn)行修飾，以使原本惰性的網(wǎng)絡(luò)具有仿生性和細(xì)胞響應(yīng)性。

Zhang等[35]將PEG與絲素蛋白雜化制備出新型雙層網(wǎng)絡(luò)水凝膠，其細(xì)胞黏附性好、凝膠速度快、生物相容性及力學(xué)強(qiáng)度高，可為負(fù)載的MSC提供適宜的微環(huán)境，并可促進(jìn)軟骨細(xì)胞基因的表達(dá)。Kharkar等[36]將PEG與透明質(zhì)酸混合制備水凝膠，該水凝膠細(xì)胞黏附性好，可促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖和細(xì)胞外基質(zhì)沉積，并抑制軟骨細(xì)胞肥大化，進(jìn)而修復(fù)軟骨損傷。此外，Petit等[37]將 PEG與聚己內(nèi)酯-共丙交酯結(jié)合，制備的水凝膠在保留高力學(xué)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，具備良好的軟骨細(xì)胞黏附性，可作為軟骨支架負(fù)載MSC修復(fù)軟骨損傷。

2.2 聚(N-異丙基丙烯酰胺)水凝膠

聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAAM)水凝膠是一種常見(jiàn)的物理交聯(lián)的合成水凝膠，具有高力學(xué)強(qiáng)度及反相熱敏性。PNIPAAM鏈之間的物理作用可以增強(qiáng)聚合物的硬度，從而提升其力學(xué)強(qiáng)度。Means等[38]報(bào)道了一種PNIPAAM與聚(2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)構(gòu)成的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，該水凝膠的力學(xué)強(qiáng)度、彈性和含水量與天然關(guān)節(jié)軟骨相當(dāng)，且摩擦系數(shù)降低了50%，可作為軟骨支架修復(fù)軟骨損傷。然而，PNIPAAM生物相容性差，且無(wú)法誘導(dǎo)MSC向軟骨細(xì)胞分化，上述缺陷限制了PNIPAAM水凝膠在軟骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用。

為解決上述問(wèn)題，研究者將PNIPAAM與天然高分子材料(透明質(zhì)酸[39]、殼聚糖[40]及硫酸軟骨素[41]等)混合，在保留材料的高力學(xué)強(qiáng)度并改善其生物相容性的同時(shí)，使其具備誘導(dǎo)MSC成軟骨方向分化的能力。Saghebasl等[42]制備了一種將明膠與PNIPAAM共混的五嵌段共聚物水凝膠，該水凝膠同時(shí)具備軟骨細(xì)胞的黏附性、生物相容性及高力學(xué)強(qiáng)度，可用于負(fù)載MSC修復(fù)軟骨損傷。

3 結(jié)語(yǔ)

水凝膠含水量高，彈性好，具有一定力學(xué)強(qiáng)度，易負(fù)載藥物和細(xì)胞且可模擬細(xì)胞外微環(huán)境，有助于促進(jìn)MSC增殖與分化，誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞基因表達(dá)，促進(jìn)Ⅱ型膠原蛋白生成，可修復(fù)軟骨損傷。天然高分子水凝膠可模擬細(xì)胞外基質(zhì)，能為軟骨損傷修復(fù)提供合適的微環(huán)境，安全性好，發(fā)展前景良好。然而，天然高分子水凝膠普遍存在力學(xué)性能差及降解速率過(guò)快的缺陷，不利于MSC分化及新生軟骨組織替代。合成水凝膠力學(xué)強(qiáng)度高，但其生物安全性、細(xì)胞黏附性仍有不足。鑒于不同材料制備的水凝膠各有利弊，研究者們將優(yōu)越性互補(bǔ)的數(shù)種材料雜化，以制備性質(zhì)穩(wěn)定、生物相容性好、力學(xué)強(qiáng)度高、軟骨黏附性強(qiáng)及生物活性高的新型水凝膠。具備這些優(yōu)點(diǎn)的新型水凝膠在治療軟骨損傷方面具有良好的應(yīng)用前景，隨著相關(guān)研究的進(jìn)一步深入，新型水凝膠將作為藥物及細(xì)胞載體，為修復(fù)軟骨缺損提供令人滿意的解決方案。