水凝膠在骨組織工程中的應(yīng)用進(jìn)展

曹建澤 張杰 劉永飛 趙海燕

骨組織缺損可由多種情況引起，如創(chuàng)傷、關(guān)節(jié)炎和運(yùn)動(dòng)相關(guān)損傷[1]。由于骨組織可以自我修復(fù)和再生，因而小的缺損無(wú)需額外治療即可正常愈合。但較大面積骨缺損（節(jié)段性缺損＞2 cm 或者缺損骨周長(zhǎng)＞50%）可能會(huì)引發(fā)骨不連、畸形愈合等情況，此時(shí)需要對(duì)損傷進(jìn)行干預(yù)，如采取骨移植或置換手術(shù)[2]。然而，自體骨移植和同種異體骨移植均存在供體部位并發(fā)癥發(fā)病率高、潛在感染風(fēng)險(xiǎn)大和宿主組織愈合率不高等不足，在應(yīng)用方面受到限制[3-4]。因此，受損骨組織的理想修復(fù)方案尚待明確。對(duì)于骨缺損患者治療而言，開(kāi)發(fā)有效的、可持續(xù)的受損骨組織修復(fù)方法意義重大[5-6]。

水凝膠具有獨(dú)特性能優(yōu)勢(shì)，不僅可以用作可注射的組織填充劑，以液態(tài)形式將負(fù)載細(xì)胞和（或）細(xì)胞因子輸送到缺損區(qū)域并原位固化，從而誘導(dǎo)細(xì)胞和組織生長(zhǎng)，還可以用作3D 生物打印的生物墨水或用作細(xì)胞或藥物輸送的納米級(jí)顆粒。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，水凝膠的性能得到了廣泛的探索。為改善骨修復(fù)，近年來(lái)水凝膠設(shè)計(jì)取得了進(jìn)展，以提高其效用[7-8]。

1 水凝膠分類(lèi)

水凝膠由具有3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的親水聚合物形成。水凝膠通常是由一種或幾種單體通過(guò)化學(xué)反應(yīng)制備的，通過(guò)在聚合物鏈之間形成締合鍵，其水吸收能力可高達(dá)其自身干重的成百上千倍[9]。根據(jù)驅(qū)動(dòng)3D 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的相互作用的不同，水凝膠可分為化學(xué)水凝膠和物理水凝膠2 種（見(jiàn)表1）。

表1 水凝膠的分類(lèi)

1.1 物理水凝膠

物理水凝膠是經(jīng)溫度、pH 和離子濃度的變化等物理交聯(lián)過(guò)程生成，并通過(guò)分子糾纏和（或）氫鍵、離子力、疏水力及范德華力連接在一起的網(wǎng)絡(luò)[10-12]，主要包括靜電相互作用形成的水凝膠、溫度或pH 誘導(dǎo)的凝膠化水凝膠、超分子組裝水凝膠、剪切稀化水凝膠等[13]。在上述類(lèi)型的水凝膠中發(fā)生的相互作用雖然很弱，但數(shù)量眾多，有利于發(fā)揮復(fù)雜的功能。由于這些相互作用在很大程度上與pH、離子濃度、溶劑組成或溫度等外部刺激有關(guān)，因此與依靠共價(jià)鍵結(jié)合的材料不同，物理水凝膠在環(huán)境方面具有高度適應(yīng)性[14]。物理水凝膠的可注射或可3D 打印性能要求其在高剪切速率下黏度相對(duì)較低，以便于注射或打印。而在注入和沉積到指定位置后，則需要發(fā)生快速的相轉(zhuǎn)變，以防止凝膠流動(dòng)。換言之，物理水凝膠在剪切應(yīng)力作用下呈黏性流體狀態(tài)，而在剪切應(yīng)力消除后可以快速恢復(fù)，即剪切變稀和快速恢復(fù)，這是物理水凝膠實(shí)現(xiàn)可注射或可打印的關(guān)鍵。

1.2 化學(xué)水凝膠

由共價(jià)交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)組成的水凝膠被稱(chēng)為化學(xué)水凝膠，也稱(chēng)永久性水凝膠。它是指由聚合物鏈中官能團(tuán)之間的共價(jià)相互作用形成的水凝膠，官能團(tuán)常見(jiàn)的共價(jià)偶聯(lián)反應(yīng)主要包括邁克爾加成反應(yīng)、點(diǎn)擊反應(yīng)、席夫堿形成、光交聯(lián)、酶介導(dǎo)交聯(lián)等[13]。與物理水凝膠類(lèi)似，化學(xué)水凝膠也是非均質(zhì)的，通常是高交聯(lián)密度和低溶脹度的區(qū)域分散在低交聯(lián)密度和高溶脹度的區(qū)域中，這些不同溶脹度區(qū)域是受交聯(lián)劑的疏水聚集影響形成的。在某些情況下，根據(jù)凝膠化過(guò)程中成分、溶劑、溫度和固體濃度不同，化學(xué)水凝膠會(huì)隨著大孔的形成而發(fā)生相分離[15]。與物理水凝膠不同，化學(xué)水凝膠具有帶有共價(jià)鍵的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種水凝膠可以通過(guò)交聯(lián)水溶性單體和聚合物，將疏水性單體和聚合物轉(zhuǎn)化為親水性單體和聚合物來(lái)制備。此外，化學(xué)水凝膠因成鍵多為共價(jià)鍵，其力學(xué)性能較物理水凝膠更優(yōu)異，穩(wěn)定性也更高[16]。

2 水凝膠在骨組織工程中的應(yīng)用

2.1 作為細(xì)胞和（或）生長(zhǎng)因子載體促進(jìn)骨修復(fù)

骨組織工程是一種潛力巨大的骨修復(fù)方式，通常是先將細(xì)胞和（或）生長(zhǎng)因子包裹在水凝膠中，再通過(guò)水凝膠將細(xì)胞或生長(zhǎng)因子定向輸送到骨缺損部位，從而可以持續(xù)釋放細(xì)胞和（或）生長(zhǎng)因子，以促進(jìn)缺損部位修復(fù)，其修復(fù)效果明顯。

2.1.1 雜化納米顆粒水凝膠

金屬雜化的納米顆粒與水凝膠材料結(jié)合可以有效改善水凝膠的性質(zhì)。有研究者設(shè)計(jì)了一種紅外光響應(yīng)性雜化（UCNP-Au-Alg）水凝膠，即可以在紅外光照下快速加熱。該水凝膠一方面可以通過(guò)非侵入性近紅外光有效治療腫瘤并預(yù)防其復(fù)發(fā)，另一方面則可以使脛骨骨缺損大鼠的脛骨更加光滑，顯示該水凝膠可以促進(jìn)受損骨骼有效愈合，這一策略為治療由骨腫瘤引起的病理性骨折提供了全新的理論支持[17]。

Wang 等[18]報(bào)道了一種雜化納米顆粒（NP）/聚乙二醇水凝膠（PEG）遞送系統(tǒng)，他們將包埋在水凝膠中的siRNA/NP 遞送到骨折部位，并使這些顆粒以一定的速度持續(xù)定點(diǎn)釋放。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在骨折后1 周siRNA/NP 水凝膠組鈣化愈合組織明顯多于對(duì)照組。雖然這種方法可能會(huì)降低siRNA在愈合后期的功效，但它對(duì)開(kāi)發(fā)負(fù)載其他治療性siRNA 或miRNA 水凝膠的骨組織工程策略具有重大意義，為未來(lái)骨缺損修復(fù)提供了一個(gè)有潛力的研究方向。

2.1.2 調(diào)節(jié)骨微環(huán)境

骨缺損部位常常因缺氧而出現(xiàn)大量活性氧（ROS）堆積，ROS 的過(guò)度產(chǎn)生會(huì)阻礙骨折愈合，使骨折部位發(fā)生延遲愈合[19]。因此，改善骨缺損部位的缺氧環(huán)境對(duì)骨再生具有重大意義。

Sun 等[20]設(shè)計(jì)了可以調(diào)控骨微環(huán)境的ROS 清除和響應(yīng)性延長(zhǎng)產(chǎn)氧水凝膠（CPP-L/GelMA），并將其填充在骨缺損部位，該水凝膠可連續(xù)釋放氧氣2 周以上，在骨缺損部位形成一個(gè)富氧環(huán)境，從而有效改善缺氧，并抑制ROS 過(guò)度產(chǎn)生[20]。這在骨組織修復(fù)領(lǐng)域?qū)儆谥卮笸黄啤ｋm然有研究致力于制造釋放氧氣的支架，但其釋放氧氣時(shí)間過(guò)短，無(wú)法與骨組織修復(fù)過(guò)程相匹配，所以仍需進(jìn)一步改進(jìn)[21]。通過(guò)調(diào)節(jié)ROS 堆積的治療策略有望成為修復(fù)骨缺損的重要手段之一。

2.2 作為藥物載體預(yù)防和治療骨科細(xì)菌感染

細(xì)菌感染可在骨折后或假體置換術(shù)后造成嚴(yán)重后果，目前主要的治療方法是口服抗生素或外科治療。隨著抗生素的過(guò)度使用，大量耐藥菌株出現(xiàn)，導(dǎo)致抗生素療效減退[22]。此外，將抗生素與假體混合后置入受損部位是另一種可行方式，但抗生素易聚集會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，且其釋放后所留孔隙可能破壞材料結(jié)構(gòu)的完整性。

水凝膠因其卓越的生物相容性、可控的理化特性和高度的組織適應(yīng)性，逐漸成為受損骨組織的理想修復(fù)材料。Johnson 等[23]的研究表明，遞送溶葡萄球菌素的可注射PEG 不但對(duì)骨折后的金黃色葡萄球菌感染具有較好的治療效果，而且在治療感染的同時(shí)亦可促進(jìn)骨折愈合，表明負(fù)載藥物的水凝膠在治療骨科感染性疾病中具有雙重作用。Liu 等[24]用陽(yáng)離子季銨鹽（QAS）基團(tuán)改性可光交聯(lián)的明膠基聚合物（GelMA）制備了一種新型水凝膠系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以發(fā)揮良好的細(xì)胞親和性和抗菌性的協(xié)同作用，在大鼠股骨骨折感染模型中表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌能力。此外，有研究將miRNA 拮抗劑負(fù)載到細(xì)菌敏感性透明質(zhì)酸基水凝膠中，這類(lèi)可注射水凝膠被證實(shí)有良好的可注射性、組織黏附性和抗菌性，可通過(guò)持續(xù)釋放miRNA 拮抗劑在抗菌的環(huán)境中促進(jìn)骨折修復(fù)[25-26]。上述研究表明，這些水凝膠本身具有抗菌作用，可以直接注射在骨折或骨缺損部位，從而預(yù)防或治療感染，但單純水凝膠的抗菌作用有限。在水凝膠中負(fù)載抗菌物質(zhì)既能有效抗菌，又可最大程度減輕抗菌物質(zhì)對(duì)骨缺損部位的不良影響。

2.3 作為骨再生支架促進(jìn)骨修復(fù)

組織工程技術(shù)是一種具有巨大應(yīng)用潛力的骨修復(fù)新方法，其目標(biāo)是創(chuàng)建可以模擬細(xì)胞外基質(zhì)并能為新骨形成提供堅(jiān)固機(jī)械支持的支架[27]，以修復(fù)受損骨組織。傳統(tǒng)的用于骨修復(fù)的支架制造技術(shù)已得到廣泛研究，但其在模擬生物組織的復(fù)雜微環(huán)境方面存在局限性[28]。

2.3.1 明膠和海藻酸肼水凝膠

Wu 等[29]使用明膠和海藻酸肼分別用于模擬細(xì)胞外基質(zhì)中膠原蛋白和糖胺聚糖的組成，構(gòu)建了在生理環(huán)境下具有穩(wěn)定溶脹性能的高強(qiáng)度明膠-HAlg-DN 水凝膠。在用作組織工程支架時(shí)，該水凝膠的抗溶脹能力有利于防止支架術(shù)后變形，并可降低支架施加在周?chē)M織的壓力。在大鼠骨缺損模型中，負(fù)載補(bǔ)骨脂素的明膠-HAlg-DN 水凝膠可有效促進(jìn)骨再生，并顯示出作為骨組織工程支架的巨大潛力。

2.3.2 3D 打印復(fù)合水凝膠支架

近年來(lái)，3D 打印技術(shù)掀起了材料制作的熱潮，3D 打印技術(shù)可以將一些不易結(jié)合的物質(zhì)聯(lián)系起來(lái)，共同發(fā)揮它們的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)研究的一個(gè)重點(diǎn)方向。Liu 等[30]設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)3D 打印技術(shù)制作的納米凹凸棒石（nano-ATP）/GelMA 復(fù)合水凝膠，該水凝膠既保留了水凝膠優(yōu)良的生物相容性，又通過(guò)加入凹凸棒石的改性大大提升了水凝膠的力學(xué)性能。他們將小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSC）和臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞負(fù)載到該復(fù)合水凝膠支架中，結(jié)果表明支架內(nèi)的細(xì)胞不僅活力高，而且具有明顯促進(jìn)BMSC 成骨分化的傾向[30]。

此外，有大量研究將具有骨誘導(dǎo)活性的天然生物礦物質(zhì)、新型脫細(xì)胞骨細(xì)胞外基質(zhì)、La3+離子、miRNA 等通過(guò)3D 打印技術(shù)制成復(fù)合水凝膠支架，以促進(jìn)骨缺損修復(fù)[31-34]。上述研究為3D 打印生物材料提供了良好的例證，即在保證具有明顯療效的同時(shí)，也保證了材料尺寸的精確性，為精準(zhǔn)化醫(yī)療提供了一個(gè)新的思路和方向。

3 結(jié)語(yǔ)

水凝膠由于其良好的生物相容性、親水性和生物降解性而備受矚目，在生物醫(yī)藥領(lǐng)域具有較大應(yīng)用潛力，在骨科領(lǐng)域主要于組織工程、藥物遞送等。由于受到水凝膠材料響應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)、力學(xué)性能有待改善、可能產(chǎn)生毒理學(xué)反應(yīng)以及可能引發(fā)機(jī)體免疫排斥反應(yīng)等問(wèn)題限制，水凝膠尚未得到廣泛的臨床應(yīng)用。

未來(lái)的研究應(yīng)致力于繼續(xù)改善水凝膠的性能或發(fā)現(xiàn)性能更好的水凝膠種類(lèi)，并且進(jìn)一步探究它們的作用機(jī)制，使其盡早廣泛應(yīng)用于實(shí)際，造福于骨組織損傷患者。