光響應(yīng)水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的研究進(jìn)展

梁屹 裴錫波 萬乾炳

口腔疾病研究國家重點實驗室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院修復(fù)科 成都610041

水凝膠是1種親水聚合物合成材料，具有高含水量和質(zhì)地柔軟的特性，可用于調(diào)節(jié)細(xì)胞功能和組織形態(tài)[1-2]。傳統(tǒng)水凝膠大多具有靜態(tài)和各向同性的特性，無法適應(yīng)動態(tài)和非均勻的體內(nèi)環(huán)境。

光響應(yīng)水凝膠由聚合物網(wǎng)絡(luò)和光響應(yīng)基團(tuán)組成，通過光響應(yīng)基團(tuán)將光信號轉(zhuǎn)化為物理或化學(xué)信號，繼而控制水凝膠的物理或化學(xué)性質(zhì)，影響其微結(jié)構(gòu)，調(diào)控細(xì)胞的行為如黏附、遷移和分化[3]。并且由于光的高度時空控制和各種光敏基團(tuán)的可用性，光響應(yīng)水凝膠在需要精確的時空生物配基的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中得到廣泛采用，例如材料整合和血管化，靶向微米/納米顆粒到癌癥和炎癥的病變部位，以及作為細(xì)胞培養(yǎng)平臺[4]。

1 光響應(yīng)水凝膠的分子機(jī)制

光響應(yīng)水凝膠可利用不同波長的光信號通過光敏基團(tuán)產(chǎn)生光響應(yīng)，將光信號轉(zhuǎn)化為各種物理或化學(xué)信號，改變光響應(yīng)水凝膠的物理或化學(xué)性質(zhì)，實現(xiàn)對細(xì)胞的動態(tài)調(diào)節(jié)。為了實現(xiàn)光響應(yīng)水凝膠在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，許多光敏基團(tuán)已被用于制造光響應(yīng)水凝膠。常見光敏基團(tuán)的光反應(yīng)類型主要有二聚化反應(yīng)、裂解反應(yīng)、異構(gòu)反應(yīng)。以硫醇-烯、香豆素為代表的光響應(yīng)基團(tuán)在光照條件下光致二聚化，為水凝膠提供了豐富的交聯(lián)點。硫醇-烯點擊反應(yīng)產(chǎn)率高而且副產(chǎn)物少，目前廣泛應(yīng)用于光響應(yīng)水凝膠的合成。Xin等[5]在365 nm的紫外光下引發(fā)二巰基聚乙二醇上的巰基和四臂聚乙二醇-降冰片烯中的烯鍵發(fā)生點擊反應(yīng)制造了穩(wěn)定的微凝膠。而香豆素基團(tuán)可在365 nm波長的照射下通過[2+2]-環(huán)加成反應(yīng)生成環(huán)丁烷二聚體，同時環(huán)丁烷二聚體在280 nm以下的光照下可發(fā)生裂解[6]。因此某些二聚體基團(tuán)可在光照條件下進(jìn)行交聯(lián)-脫交聯(lián)，實現(xiàn)光響應(yīng)水凝膠的凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變，利用其特性可作為一種按需給藥的優(yōu)良載體。

此外，可通過將光致裂解基團(tuán)如鄰硝基芐酯與水凝膠骨架整合，光照后使水凝膠網(wǎng)絡(luò)發(fā)生不可逆的破壞，導(dǎo)致水凝膠網(wǎng)絡(luò)的物理或化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。Lunzer等[7]利用硫醇修飾的透明質(zhì)酸結(jié)合含有鄰硝基芐酯基的聚乙二醇連接劑在320～500 nm光照下發(fā)生水凝膠的光降解，降低水凝膠交聯(lián)程度增加了其溶脹能力。

常見的光異構(gòu)化基團(tuán)包括偶氮苯和螺吡喃。這些光響應(yīng)基團(tuán)在紫外或可見光照射下能夠發(fā)生可逆異構(gòu)化，從而導(dǎo)致水凝膠網(wǎng)絡(luò)的親水-疏水轉(zhuǎn)變[8]。Homma等[9]利用偶氮苯的異構(gòu)化導(dǎo)致其極性改變使水凝膠在365 nm和436 nm兩種不同波長的光照下發(fā)生可逆的溶膠-凝膠的轉(zhuǎn)化。此外，Li等[10]還將螺吡喃摻入水凝膠中，在紫外線的照射下實現(xiàn)螺吡喃從疏水閉環(huán)到親水開環(huán)的轉(zhuǎn)變，通過光引發(fā)水凝膠的膨脹。

2 光響應(yīng)水凝膠在生物支架中的應(yīng)用

光響應(yīng)水凝膠在空間和時間上具有高度可調(diào)的物理和化學(xué)特性，可以在光刺激無接觸下改變支架形狀，模擬組織生物力學(xué)的動態(tài)特性，遠(yuǎn)程和無接觸地調(diào)控細(xì)胞生長，促進(jìn)細(xì)胞的增殖與分化[11]。將細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）成分的肽基類似物引入光響應(yīng)基團(tuán)，并將其作為光響應(yīng)生物墨水，與三維光刻打印技術(shù)和光纖技術(shù)結(jié)合，可制造具有精確復(fù)雜結(jié)構(gòu)和多種生物活性因子定位的的光響應(yīng)水凝膠支架，對細(xì)胞進(jìn)行三維化引導(dǎo)，促進(jìn)多種組織缺損的修復(fù)。

2.1 具有精確復(fù)雜結(jié)構(gòu)的光響應(yīng)水凝膠支架

近年來，明膠由于具有良好的生物相容性以及低免疫原性等方面的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用[12]。通過將明膠甲基丙烯酰化可使其具有光交聯(lián)特性。Cidonio等[13]利用3D打印技術(shù)將甲基丙烯酰明膠（methylacryloyl gelatin，GelMA）生物墨水光交聯(lián)，加入納米硅酸鹽增加強(qiáng)度和黏性，制造嵌合缺損部位的水凝膠支架，并將血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）加入到水凝膠支架中以模擬間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchyml stem cells，MSCs）的三維細(xì)胞微環(huán)境，觀察到良好的成血管和成骨現(xiàn)象。Zhu等[14]將光響應(yīng)基團(tuán)丙烯酸酯基引入聚乙二醇，結(jié)合軟骨外基質(zhì)，光交聯(lián)制備了1種類軟骨的聚乙二醇二丙烯酸酯（polyethylene glycol diacrylate，PEGDA）光響應(yīng)水凝膠支架用于軟骨缺損修復(fù)。植入物采用立體光刻技術(shù)結(jié)合3D打印擁有精確的結(jié)構(gòu)，同時天然軟骨外基質(zhì)保留軟骨誘導(dǎo)特性，模擬原生微環(huán)境，促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞的軟骨分化。光響應(yīng)水凝膠支架還可通過改變自身剛度擁有與體內(nèi)細(xì)胞外基質(zhì)相似的彈性模量對細(xì)胞進(jìn)行三維化的引導(dǎo)。有學(xué)者[15]利用光交聯(lián)生物油墨呋喃基—明膠，開發(fā)出1種彈性模量為9.76 kPa，與天然心肌組織力學(xué)特性相似的支架。在此支架上以1∶1比例培養(yǎng)心肌細(xì)胞和心肌成纖維細(xì)胞后分別用肌鈣蛋白Ⅰ和成纖維細(xì)胞特異性蛋白Ⅰ染色，顯示這2種細(xì)胞發(fā)生均勻耦合并表現(xiàn)出良好的活力。此外光響應(yīng)水凝膠支架可通過改變生物墨水的組成使其擁有更好的力學(xué)性能。Xu等[16]便通過改變聚己內(nèi)酯-聚乙二醇-聚己內(nèi)酯光響應(yīng)水凝膠的組分，利用其光交聯(lián)特性，制造出彈性和柔韌性可變的水凝膠支架。利用光響應(yīng)水凝膠制造高精度和復(fù)雜的三維支架依賴于先進(jìn)的制造技術(shù)和具有良好生物學(xué)特性的生物墨水。因此如何在光響應(yīng)水凝膠基礎(chǔ)上設(shè)計理想的3D打印油墨將繼續(xù)成為一個重要的話題。

2.2 定位多種生物活性因子的光響應(yīng)水凝膠支架

雖然許多支架均可以為細(xì)胞提供三維培養(yǎng)環(huán)境，但支架上缺少生物活性因子使其缺少與細(xì)胞之間的動態(tài)互動。利用光響應(yīng)水凝膠支架對光響應(yīng)的特性可以將多肽和生長因子等生物活性分子固定或釋放，動態(tài)調(diào)控細(xì)胞的黏附，增殖和分化。Cai等[17]利用聚甲基丙烯酸酯羥乙基與苯基疊氮化合物構(gòu)建帶有導(dǎo)管的大孔光響應(yīng)水凝膠支架，利用光導(dǎo)纖維在270 nm波長的光照下使疊氮苯光敏基團(tuán)光交聯(lián)實現(xiàn)膠原蛋白固定在水凝膠導(dǎo)管內(nèi)表面。神經(jīng)干細(xì)胞（neural stem cells，NSCs）優(yōu)先黏附于蛋白固定的區(qū)域，促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞的分化，神經(jīng)元定向伸長和神經(jīng)再生。Li等[18]將光響應(yīng)基團(tuán)硝基芐基加入膠原模擬多肽（collagen mimetic peptides，CMP）主鏈中，利用空間位阻抑制CMP與明膠聚合物鏈之間三重螺旋雜交，之后通過紫外光照射使硝基芐基裂解導(dǎo)致空間位阻的降低引發(fā)多肽固定在水凝膠上，在水凝膠中實現(xiàn)細(xì)胞黏附的空間控制。

體內(nèi)多種組織都具有高度的層次性，從單個細(xì)胞到復(fù)雜的組織，這種結(jié)構(gòu)對維持正常的生理功能非常重要。光響應(yīng)水凝膠支架為修復(fù)缺損組織提供了1種新的方法。通過光響應(yīng)水凝膠支架高度排列的納米結(jié)構(gòu)以及多種生物活性因子的定位，引導(dǎo)細(xì)胞定向生長，最終在缺損間建立1個完整的橋梁，形成新組織完成缺損的修復(fù)。

3 光響應(yīng)水凝膠在給藥系統(tǒng)中的應(yīng)用

水凝膠是高分子鏈交聯(lián)形成的高含水量三維網(wǎng)絡(luò)，由于其可調(diào)的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性，目前被廣泛應(yīng)用于藥物傳遞中，增強(qiáng)藥物的循環(huán)半衰期，提高藥物的生物相容性[19-20]光響應(yīng)水凝膠因其具有高時空分辨率的非接觸降解，為藥物傳遞提供了新的可能性[21]。光響應(yīng)水凝膠可利用光熱效應(yīng)發(fā)生凝膠—溶膠相變釋放負(fù)載藥物，同時可利用自組裝光響應(yīng)水凝膠通過光聚合或光裂解來達(dá)到釋放藥物的目的[22]。因此，光響應(yīng)水凝膠被認(rèn)為是1種用于藥物運(yùn)輸達(dá)到按需給藥目的的理想載體。

3.1 基于光熱效應(yīng)的凝膠-溶膠相變的給藥系統(tǒng)

對近紅外光（near infrared，NIR）敏感的水凝膠利用光熱效應(yīng)，通過光敏劑將光轉(zhuǎn)化為熱觸發(fā)光響應(yīng)水凝膠的凝膠—溶膠相變，軟化或融化載藥水凝膠的納米結(jié)構(gòu)從而釋放藥物[23]。光照強(qiáng)度大小和暴露時間長短可準(zhǔn)確控制藥物釋放速率。有學(xué)者[24]以環(huán)糊精和包覆鉑納米粒子的聚乙二醇為原料，合成了1種近紅外光響應(yīng)按需降解的水凝膠給藥系統(tǒng)。近紅外光照射不同時間，水凝膠網(wǎng)絡(luò)可被部分破壞，達(dá)到近紅外光照射精確控制藥物釋放的目的。黑磷（black phosphorus，BP）是1種新發(fā)現(xiàn)的材料，具有光熱轉(zhuǎn)換效率高，良好的生物相容性和高載藥能力的特點[25-27]。有學(xué)者[28]報道了1種基于黑磷的利用近紅外光進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換的光響應(yīng)水凝膠載藥系統(tǒng)。BP@Hydrogel在1 W·cm2照射下可升高10℃以上，可循環(huán)重復(fù)6次，經(jīng)歷可逆的軟化；當(dāng)激光功率增加到1.5 W·cm2時，溫度急劇升高，水凝膠逐漸熔化，達(dá)到控釋藥物的目的。與健康組織相比，腫瘤細(xì)胞對熱的耐受性較低。因此，可利用上述水凝膠特性，用于光熱與化療的聯(lián)合使用。NIR響應(yīng)的水凝膠具有光開關(guān)特性，在載藥方面有很好的應(yīng)用前景，但設(shè)計1種能夠通過不同波長的光動態(tài)控制載藥凝膠的硬化/軟化達(dá)到按需給藥更具實用性。Zheng等[29]設(shè)計了1種對紫外線和近紅外光均有反應(yīng)，剛度可調(diào)的雙光響應(yīng)超分子凝膠。紫外線照射水凝膠誘導(dǎo)反式偶氮轉(zhuǎn)變?yōu)轫樖脚嫉獜亩浕z；近紅外光照射凝膠進(jìn)行光—熱轉(zhuǎn)換，觸發(fā)熱響應(yīng)聚合物聚N-異丙基丙烯酰胺[poly（N-isopropylacrylamide），PNIPAAm]親水—疏水轉(zhuǎn)變，凝膠硬化。但由于紫外線是一種高能電磁波，對組織的滲透性很差。Hu等[30]使用轉(zhuǎn)化納米粒子（up-conversion nanoparticles，UCNPs）結(jié)合偶氮鍵，利用近紅外光的光熱效應(yīng)同時發(fā)射紫外線引起凝膠—溶膠的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)光調(diào)節(jié)藥物釋放的目的。

3.2 基于自組裝的光響應(yīng)水凝膠的給藥系統(tǒng)

當(dāng)光響應(yīng)水凝膠與生物分子如多肽、蛋白質(zhì)、多糖生物分子之間通過可逆的非共價連接時，可以更大程度的發(fā)揮水凝膠納米結(jié)構(gòu)的通用性，靈活性及高敏感性。因此，這種以自組裝為基礎(chǔ)的光響應(yīng)水凝膠是1種很有前途的藥物輸送平臺，受到了相當(dāng)大的關(guān)注。

利用自組裝結(jié)合生物分子的光響應(yīng)水凝膠作為藥物的釋放平臺，在治療癌癥或者細(xì)菌感染方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。Wang等[31]使用光響應(yīng)MnO2納米片利用自組裝制備了仿生二氧化錳混合（bioinspired MnO2hybrid，BMH）水凝膠。在808 nm的光照下MnO2納米片將內(nèi)源性過量的H2O2催化分解產(chǎn)生O2緩解腫瘤微環(huán)境乏氧，同時釋放抗腫瘤藥物鹽酸阿霉素殺傷腫瘤細(xì)胞；同時利用MnO2納米片的“納米刀片”效應(yīng)破壞細(xì)胞膜，有助于殺滅細(xì)菌，促進(jìn)感染創(chuàng)面的愈合。相較于傳統(tǒng)共價生物偶聯(lián)得到靜態(tài)結(jié)構(gòu)的水凝膠，自組裝的超分子水凝膠分子之間的動態(tài)非共價鍵有助于在鍵的生成和解離之間建立動態(tài)平衡。Grim等[32]設(shè)計了1個烯丙基硫化物手柄，允許在細(xì)胞負(fù)載的光響應(yīng)水凝膠中通過光催化硫醇-烯點擊反應(yīng)實現(xiàn)信號蛋白從水凝膠中完全可逆和重復(fù)地捆綁。此外，基于自組裝的超分子水凝膠在控制其力學(xué)性能方面具有很高的靈活性。Jiang等[33]利用多聚組氨酸標(biāo)簽標(biāo)記具有腺苷鈷胺素結(jié)合域的感光蛋白（photoreceptor C-terminal adenosylcobalamin binding domain，CarHC），將多聚組氨酸標(biāo)簽標(biāo)記的感光蛋白通過與過渡金屬離子絡(luò)合，并利用CarHC在黑暗中與輔因子AdoB12結(jié)合后自組裝，形成具有一定強(qiáng)度可注射的光響應(yīng)水凝膠，并將負(fù)載白血病抑制因子（leukemia inhibitory factor，LIF）的水凝膠注射到受傷的小鼠視神經(jīng)中，通過522 nm的綠光照射使AdoB12中的C-Co鍵斷裂，導(dǎo)致凝膠—溶膠轉(zhuǎn)變，釋放LIF促進(jìn)軸突再生。

雖然目前通過光激活水凝膠釋放藥物仍有較多挑戰(zhàn)需要解決，如聚合物載體與光源的距離、光穿透組織的密度，以及藥物在光照下降解的可能性等，但是利用光刺激傳遞藥物具有可以對非侵入性的觸發(fā)做出反應(yīng)等優(yōu)良特性，為研究者提供了1種不需要直接與患者接觸的遠(yuǎn)程激活方法。

4 光響應(yīng)水凝膠在細(xì)胞封裝中的應(yīng)用

有研究[34]表明細(xì)胞的表型和功能受到細(xì)胞外基質(zhì)機(jī)械性能的影響，因此模仿原生細(xì)胞外基質(zhì)的生物材料可以在體外模仿細(xì)胞微環(huán)境，調(diào)節(jié)細(xì)胞行為。然而，許多研究[35-36]表明，體外二維細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境和原生細(xì)胞微環(huán)境在物理和化學(xué)性質(zhì)上的巨大差異，無法維持來自復(fù)雜多細(xì)胞組織的細(xì)胞表型。鑒于光響應(yīng)水凝膠可以遠(yuǎn)程和無接觸地改變細(xì)胞生長條件，因此可通過光響應(yīng)水凝膠封裝相關(guān)細(xì)胞或生物信號進(jìn)行三維細(xì)胞培養(yǎng)在體外重現(xiàn)原生細(xì)胞微環(huán)境。隨著生物打印技術(shù)和各種微流控平臺等各項生物制造技術(shù)的發(fā)展，將其與光響應(yīng)水凝膠結(jié)合，能擴(kuò)寬光響應(yīng)水凝膠在生物工程領(lǐng)域如藥物篩選，再生醫(yī)學(xué)的應(yīng)用。

4.1 傳統(tǒng)塊狀光響應(yīng)水凝膠作為細(xì)胞培養(yǎng)平臺

細(xì)胞外基質(zhì)具有各種物理和生化信號，為細(xì)胞提供了一個復(fù)雜動態(tài)的微環(huán)境。這些ECM信號調(diào)節(jié)細(xì)胞行為在不同維度上會產(chǎn)生不同結(jié)果。例如，在二維和三維培養(yǎng)條件下間充質(zhì)干細(xì)胞機(jī)械響應(yīng)的明顯差異已被報道[37]。細(xì)胞外基質(zhì)彈性模量是1種動態(tài)特性，在各種生物過程中發(fā)生變化，如疾病進(jìn)展或傷口愈合。然而，大多數(shù)細(xì)胞培養(yǎng)平臺表現(xiàn)出的靜態(tài)特性，并不能有效的研究不同彈性模量對細(xì)胞表型及其功能的影響。最近，Lee等[38]便基于聚丙烯酰胺水凝膠，利用偶氮苯分子的光異構(gòu)化，開發(fā)出1種通過光照改變其腫脹和硬度的光響應(yīng)水凝膠，通過紫外線照射凝膠軟化與可見藍(lán)光導(dǎo)致硬化，更好的理解骨髓基質(zhì)干細(xì)胞機(jī)械傳導(dǎo)信號通路過程。光響應(yīng)水凝膠作為細(xì)胞的三維培養(yǎng)環(huán)境，利用光照可以遠(yuǎn)程非接觸的控制其局部的理化特性。最近，Crosby等[39]合成了1種由膠原蛋白和被降冰片烯修飾的透明質(zhì)酸組成的光響應(yīng)水凝膠正交網(wǎng)絡(luò)，通過改變光響應(yīng)交聯(lián)劑的濃度和順序來調(diào)節(jié)水凝膠的局部剛度和降解性，發(fā)現(xiàn)多能干細(xì)胞（induced pluripotentstemcells，iPSCs）在局部血管化程度的差異。該項實驗為研究者提供了1種可用于研究細(xì)胞對不同微環(huán)境反應(yīng)差異的細(xì)胞培養(yǎng)平臺。

4.2 結(jié)合微流控平臺的光響應(yīng)水凝膠用于細(xì)胞封裝

微流控是1種可精確控制和操控微尺度流體尤其是亞微米結(jié)構(gòu)的技術(shù)，把生物化學(xué)分析過程的樣品制備、反應(yīng)、分離、檢測等基本操作單元集成到1塊微米尺度的芯片上，自動完成分析過程。同時，微流控系統(tǒng)被認(rèn)為是快速生產(chǎn)均勻微球（microspheres，MSs）最有效的方法。鑒于光響應(yīng)水凝膠的光敏特性，光響應(yīng)水凝膠可以與各種微流控平臺結(jié)合，制造光響應(yīng)水凝膠微球，將細(xì)胞封裝在微球內(nèi)，或者是播種在微球表面，作為微載體，擴(kuò)展光響應(yīng)水凝膠的臨床應(yīng)用范圍。Seeto等[40]以微流控設(shè)備為基礎(chǔ)，設(shè)計了1種新的微流控平臺，利用PEGDA、GelMA和纖維蛋白原（fibrinogen，PF）光交聯(lián)制備水凝膠微球，將每毫升6×106的細(xì)胞均勻封裝在微球中，保持較高的細(xì)胞活力和功能活性。微球系統(tǒng)由于其高表面/體積比和仿生環(huán)境，有利于細(xì)胞的擴(kuò)張和移植。He等[41]利用數(shù)字光處理技術(shù)，結(jié)合微流控技術(shù)制備了Gel-MA MSs，并將MSCs細(xì)胞封裝在微球內(nèi)，將Gel-MA MSs作為MSCs擴(kuò)散、遷移和增殖的載體，簡化了細(xì)胞培養(yǎng)的操作流程，并構(gòu)建了細(xì)胞分布均勻、功能特異的大組織。微流控平臺的高精度能夠更精確地制造仿生顯微組織的微尺度特征，所以能更加準(zhǔn)確的封裝細(xì)胞并在體外模擬細(xì)胞三維微環(huán)境。Zheng等[42]通過微流控平臺將光誘導(dǎo)電沉積（photoinduced electrodeposition，PIED）產(chǎn)生裝載成纖維細(xì)胞的海藻酸鹽水凝膠微球重組排列成具有高精度微結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征的三維顯微組織。微流控已經(jīng)成為1種通用且對細(xì)胞友好的圖案化技術(shù)。水凝膠前體溶液中的懸浮細(xì)胞通過微流控系統(tǒng)并不會沉淀到底部，從而能將細(xì)胞均勻地封裝到三維水凝膠微球中。在未來光響應(yīng)水凝膠可利用微流控技術(shù)結(jié)合立體光刻等制造技術(shù)封裝多種細(xì)胞，添加調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖和分化的生物分子合成具有高精度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的大組織和類器官。

5 光響應(yīng)水凝膠在口腔醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

細(xì)菌感染是導(dǎo)致牙體硬組織與牙周組織破壞的主要原因。全身給藥往往導(dǎo)致致病菌產(chǎn)生耐藥性，增加重復(fù)感染的風(fēng)險。因此近年來，可注射水凝膠作為1種極具前景的局部給藥平臺受到越來越多的關(guān)注。水凝膠中加入無機(jī)納米粒子或納米纖維是改善水凝膠注射性能的1種簡單而有效的方法。因此，Ribeiro等[43]將環(huán)丙沙星（ciprofloxacin，CIP）和β-環(huán)糊精（β-cyclodextrin，β-CD）包合物摻入靜電紡聚合物纖維中，隨后將其切割成短納米纖維（short nanofibers，SF），嵌入到GelMA中，得到可注射的抗菌水凝膠。實驗結(jié)果表明抗菌水凝膠可維持有效藥物濃度較長時間，對糞腸球菌生物膜有良好的抗菌效果，有助于根除在感染牙周組織、根管系統(tǒng)或根尖周組織中定植的微生物及其毒副產(chǎn)物。β-CD的加入增加了CIP的溶解度和賦予GelMA降解度可調(diào)的特性，同時水凝膠與納米纖維之間動態(tài)的相互作用使水凝膠具有剪切變薄和自愈合的性能。

牙周炎常導(dǎo)致牙周組織，特別是牙槽骨的缺損，甚至是牙齒脫落。當(dāng)牙周炎病情控制后缺損的牙周組織也很難恢復(fù)，將牙周膜干細(xì)胞（periodontal ligament stem cells，PDLSCs）與可注射水凝膠相結(jié)合被認(rèn)為是治療牙周組織缺損的1個有前途的策略。Ma等[44]制備了不同GelMA/PEGDA體積比的可注射光交聯(lián)水凝膠，并將PDLSCs封裝在此水凝膠中，在大鼠牙槽骨缺損中注射GelMA/PEGDA前體溶液并進(jìn)行原位紫外光交聯(lián)。此水凝膠作為牙周膜干細(xì)胞的運(yùn)載工具與培養(yǎng)基質(zhì)，減少由于機(jī)械力所導(dǎo)致的細(xì)胞損傷，同時作為生物支架填補(bǔ)缺損為PDLSCs的生長提供空間。隨后的顯微CT和組織學(xué)研究證實，缺損處有明顯的新骨形成。因此，在未來研究當(dāng)中可進(jìn)一步對基于光響應(yīng)水凝膠的ECM成分與干細(xì)胞類型的組合篩選，更好地應(yīng)用于牙周組織工程當(dāng)中。

綜上所述，水凝膠所具有的親水性，使其在模擬細(xì)胞微環(huán)境方面具有天然優(yōu)勢。大多數(shù)聚合物都可以用光響應(yīng)基團(tuán)修飾，然后在光照射下發(fā)生多種光反應(yīng)。因此，許多材料均可通過添加光響應(yīng)基團(tuán)制備光響應(yīng)水凝膠。光響應(yīng)水凝膠可以動態(tài)指導(dǎo)細(xì)胞行為，控制局部微環(huán)境，因此可在不同生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用，包括作為支架用于神經(jīng)元的定向遷移、心臟纖維的形成和藥物的光釋放以及細(xì)胞培養(yǎng)平臺。然而，利用光響應(yīng)水凝膠制造支架和封裝細(xì)胞時在紫外線照射下形成的自由基可能導(dǎo)致DNA的損傷和細(xì)胞功能的損害。為更好的應(yīng)用臨床，人們利用可見光甚至是紅外光來誘導(dǎo)光反應(yīng)。此外，使用光響應(yīng)水凝膠作為體內(nèi)的藥物載體，光的穿透深度有限是限制光響應(yīng)水凝膠應(yīng)用的主要原因。同時，光響應(yīng)水凝膠載藥時光熱轉(zhuǎn)換效率低、生物安全性和生物降解性較低、難以代謝出體內(nèi)、細(xì)胞毒性等，仍然是其臨床應(yīng)用時所需要解決的問題。

在未來光響應(yīng)水凝膠的研究中，仍將以其光響應(yīng)特性作為研究重點，通過與多種生物制造技術(shù)如三維生物打印，光刻技術(shù)及微流控技術(shù)等結(jié)合，最大限度地解決光響應(yīng)水凝膠目前所面臨的困境與使用的局限性。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。