摘要：由于骨组织的独特性质和骨修复过程的复杂性，有效治疗骨疾病相当棘手。结合生物材料、细胞和生物因子，可以提供一种高效且安全的骨修复和再生治疗策略，特别是在这些多功能水凝胶界面材料的基础上。然而，在复杂的骨修复过程中，要开发出具有吸引人特性（例如，生物活性、可控的生

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由于骨组织的独特性质和骨修复过程的复杂性，有效治疗骨疾病相当棘手。结合生物材料、细胞和生物因子，可以提供一种高效且安全的骨修复和再生治疗策略，特别是在这些多功能水凝胶界面材料的基础上。然而，在复杂的骨修复过程中，要开发出具有吸引人特性（例如，生物活性、可控的生物降解性、机械强度、优异的细胞/组织粘附性和可控释放特性）的水凝胶材料用于临床应用仍然是一个挑战。

来自南京理工大学的Fanfan Fu团队重点介绍了功能性界面水凝胶的最新进展。然后讨论在不牺牲其固有特性的情况下生产功能性水凝胶材料的障碍，并讨论其在软骨和骨修复中的潜在应用。多功能水凝胶界面材料可以作为骨组织工程的基本构建模块。相关工作以题为“Functional Hydrogel Interfaces for Cartilage and Bone Regeneration”的文章发表在2025年01月10日的期刊《Advanced Healthcare Materials》。

1.创新型研究内容

水凝胶材料与生物组织之间形成的水凝胶界面在生物医学应用中变得越来越重要，包括表皮和可穿戴电子设备、骨修复与再生工程、可植入设备、微创和可摄入式侵入性设备。与传统材料相比，水凝胶材料能够转化机械柔软性、含水量、生物相容性和可降解性以及生物功能等特性，以便与这些柔软的生物组织紧密接触，这在骨修复过程中尤为重要。因此，本文提供了功能性水凝胶在骨工程中的最新进展概览，重点关注功能性水凝胶材料的设计和制造，及其在软骨和骨修复中的应用（图1）。本文首先讨论了水凝胶在骨组织工程中所需功能的的重要性和必要性，特别强调了生物活性、机械性能、粘附性和受控释放能力。本综述概述了实现水凝胶特殊功能的挑战，以及复杂骨修复应用场景的策略和考虑因素。然后，本文讨论了为治疗常见软骨和骨疾病而设计的功能性水凝胶的最新进展。本综述的目的是为功能性水凝胶材料的设计提供指导和见解，用于骨组织工程。

图1 用于骨修复的功能性水凝胶材料

【水凝胶机械性能的骨组织适应性研究】

水凝胶的机械强度与天然骨组织相似，这是其在骨修复中应用的关键。对于骨骼来说，其抗压强度远高于其抗拉性能。决定骨组织性质的主要参数是纵向弹性模量，也称为杨氏模量。人体不同部位的骨骼由于骨的类型和密度不同，其杨氏模量也不同。根据不同的结构和特点，人类骨组织可以简单分类为皮质骨、软骨和松质骨，它们的杨氏模量差异很大（图2）。皮质骨是人体内的一种高密度骨组织，在微观层面上由骨单位或哈弗系统组成，约占人体骨骼的80%。由于这种密集的结构，皮质骨具有较大的杨氏模量，约为2-30 GPa，能够为人体提供支撑和保护。松质骨具有多孔结构，主要由小梁组成。由于这种多孔结构，松质骨的杨氏模量相对较低。软骨是一种粘弹性结缔组织，具有一定的弹性和减震能力。尽管软骨有一定的承重能力，但其杨氏模量与硬质骨相比非常低。针对不同的骨组织，水凝胶的主要应用大致可以分为骨科植入物和药物传递系统。当水凝胶材料用作传递治疗剂的药物传递系统时，常见的形式包括生物墨水、喷雾、贴片和修复涂层。这些应用对水凝胶的杨氏模量有一定要求，但不像骨科植入物那样严格（图2）。当水凝胶用作骨科植入物时，通常需要足够的强度和刚度来提供结构支持和稳定性。基于水凝胶的骨科植入物，包括骨螺钉、填充物或支架，必须能够承受体重和外部压力而不变形。提高水凝胶的机械性能同时不破坏其原有特性，是将水凝胶应用于各种骨缺损修复的基础。除了上述提到的通过构建不同的交联网络来改善水凝胶的机械性能外，选择特定材料构建复合水凝胶也是获得理想性质水凝胶的重要方法。

图2 天然骨组织和常见用于骨修复的水凝胶的杨氏模量

【赋予水凝胶界面适当的功能——可匹配的机械性能】

另一个重要的考虑因素是水凝胶在骨组织工程实际应用中的可控机械性能。一些水凝胶由于机械强度较差的问题，严重限制了植入性和注射性水凝胶的应用。为了提高水凝胶的机械性能，研究中心专注于通过构建化学或物理相互作用来增强水凝胶网络。这些水凝胶网络可以分为单网络（SN）水凝胶、双网络（DN）水凝胶和纳米复合水凝胶（图3A）。SN水凝胶通常只包含一种类型的聚合物交联点。目前，增加SN水凝胶强度的常见策略是通过提高交联密度、水凝胶网络的均匀性和额外的相互作用来实现。

图3 具有优异机械性能的水凝胶

【赋予水凝胶界面适当的功能——生物活性】

水凝胶的生物活性，包括高生物相容性和低免疫反应性，是其作为骨组织工程支架或药物递送系统应用的关键因素。水凝胶的主要成分通常可以根据用于合成它们的聚合物材料分为天然聚合物基、合成聚合物基和源自去细胞化组织的材料。来源于天然聚合物的水凝胶也可以分为基于蛋白质的材料和多糖基材料（图4A）。基于蛋白质聚合物的水凝胶具有良好的生物相容性，由于其氨基酸组成，容易与体内环境整合。这些多糖基水凝胶也具有生物相容性好、无毒和再生的优点。这些多糖聚合物含有大量的羟基（─OH）、羧酸（─COOH）和共价锚定在葡萄糖单元外围的胺基（─NH2），使其易于功能化和后续修饰。一般来说，天然存在的聚合物材料很少引起细胞毒性问题，并且结构类似于细胞外基质（ECM），可以为骨组织提供完整的结构稳定性，减少炎症或免疫反应。这些基于天然聚合物的水凝胶通常具有良好的生物相容性和可降解性，并且通常可以通过代谢或酶控降解被吸收。

图4 生物活性功能水凝胶

【赋予水凝胶界面适当的功能——可控的生物降解特性】

除了高度的生物相容性外，水凝胶的可降解特性在骨修复过程中也引起了极大的关注。骨愈合是一个长期且多阶段的过程。在每个阶段对可降解水凝胶的要求各不相同。通常，骨愈合过程可以分为三个部分重叠的阶段：炎症期、修复期和重塑期。快速降解的水凝胶在为新骨形成提供足够支持方面存在挑战，而那些缓慢降解的水凝胶，特别是在骨重塑阶段部分被吸收时，会阻碍骨组织的充分渗透。正如He等人报道的那样，他们制造了一种由光交联聚丙烯酰胺（PAAM）和聚氨酯（PU）（主要互穿网络）以及化学交联明胶（Gel）（次级网络）组成的3D打印可降解水凝胶支架（图5A）。所得PAAM/PU/Gel（PPG）水凝胶的降解实验表明，可以通过改变交联剂和紫外辐射功率来调节降解速率。这使得可以选择适当的降解速率以满足骨修复初期的需求。PPG水凝胶（经过28天降解后）的SEM图像显示，水凝胶支架仍然保持未塌陷的结构支撑，这有利于成骨细胞的生长和新组织的形成。Zhao等人研究了光交联氧化甲基丙烯酸海藻酸盐水凝胶（POMA）在皮下植入较长时间后的降解情况（图5B）。皮下植入后没有显著的炎症，随后的降解实验表明，通过调节海藻酸盐的氧化程度可以调整POMA水凝胶的降解速率。通过选择合适的海藻酸盐氧化程度，POMA水凝胶可以在8周内完全被吸收。因此，POMA水凝胶具有巨大的潜力满足骨再生的需求。

图5可控生物降解水凝胶

【组织/细胞的吸附能力】

水凝胶的组织/细胞粘附性是其在骨修复应用中的一个重要特性。在这种情况下，水凝胶需要包裹特定的细胞或引导细胞与生物体内的基质相互作用，以帮助细胞迁移或增殖，进而支持骨再生。带有生物分子（如细胞外基质和细胞粘附肽）修饰的仿生水凝胶可以显著改善水凝胶的细胞粘附性能。天然细胞外基质主要由蛋白质和糖胺聚糖组成，细胞粘附是天然细胞外基质的基本生物功能。精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）肽在细胞粘附中被广泛应用，根据其结构可分为线性RGD和环状RGD（cRGD）肽。RGD肽通过绑定到细胞表面的整合素受体来促进细胞-基质粘附，这主要是由于焦点粘着激酶激活的信号通路引起的。如图6A(I)所示，这些信号通路可以促进细胞向基质表面迁移并实现稳定粘附。

图6 促进细胞粘附的多功能水凝胶

【控释特性】

通过将这些纳米颗粒与多功能水凝胶结合，这些药物也可以预先掺入纳米颗粒、微粒和脂质体中。这种策略允许设计复杂的药物递送系统，以满足不同治疗剂释放需求。Li等人将粘土纳米颗粒与海藻酸盐（Alg）水凝胶结合，制备出一种具有高负载能力和可控释放能力的治疗剂复合水凝胶（图7A）。粘土纳米颗粒表面的负电荷可以提供大表面积，通过静电相互作用吸附带电药物，然后将它们组装成颗粒。这些颗粒的最小尺寸显著大于海藻酸网络的网孔大小。水凝胶基质可以提供足够大的位阻效应，物理上困住粘土颗粒并缓慢释放药物。另一方面，一旦嵌入到海藻酸钠网络中，这些颗粒可以使水凝胶实现高机械韧性。由此得到的复合水凝胶可以在没有初始突释的情况下递送类胰岛素生长因子-1模拟蛋白。粘土与药物之间的静电相互作用被证明是复合水凝胶中蛋白质缓慢释放的主要机制。在这种情况下，可以通过改变粘土含量和pH值来控制蛋白质释放速率。研究表明，随着pH值降低，粘土颗粒的负电荷密度显著降低，蛋白-粘土的吸引力也减少，从而导致蛋白质释放速率增加。因此，由于受损部位的pH值低于正常部位，药物将优先在受损部位释放。

图7 具有可控释放性能的水凝胶

【功能性水凝胶的制备】

功能性水凝胶的优异性能使其在骨和软骨修复方面具有很高的前景。通过各种方法构建功能性水凝胶对于最终实现其临床应用至关重要。根据凝胶形成机制，构建功能性水凝胶的常见方法主要包括物理交联、化学交联和辐射交联。物理交联水凝胶是指聚合物网络通过非共价相互作用形成的水凝胶，主要包括氢键、范德华力、疏水力、离子力和静电相互作用。这些物理相互作用通常是可逆的，并能响应环境条件，包括温度、pH值和离子强度。因此，物理交联水凝胶通常具有可调的性能和结构。此外，物理交联水凝胶不需要额外的化学交联剂，因此具有更好的生物相容性和较低的成本。由聚乙烯醇（PVA）制备的物理交联水凝胶由于含水量高且机械性能可调，是骨和软骨修复的有希望的候选材料。通过简单的反复冷冻-解冻循环可以获得具有一定机械性能的PVA基水凝胶。PVA基水凝胶在骨修复应用中主要受到生物活性和机械强度的限制。使用更多的物理交联方法来改性PVA水凝胶是克服这些限制并扩大PVA基水凝胶在骨修复中应用的关键。

图8 构建功能性水凝胶的方法

【用于软骨修复的多功能水凝胶】

颞下颌关节紊乱是一种由髁状突软骨破坏引起的常见疾病。传统的外科治疗方法难以实现长期疗效。为了实现髁状突软骨的原位再生，Wang等人制备了一种可注射的水凝胶-BCP陶瓷双层支架，该支架模拟了天然兔髁状突软骨的复杂结构。髁状突软骨主要由纤维软骨组成，从上到下可分为纤维区、增殖区、成熟区和肥大区。纤维区和增殖区主要由I型胶原和间充质干细胞（MSCs）组成，而成熟区和肥大区则含有松散的II型胶原和成熟的软骨细胞。基于髁状突的复杂结构，HA-SH/I型胶原水凝胶包裹了BMSCs以模拟纤维区和增殖区，并包裹了软骨细胞以模拟成熟区和肥大区。同时，在水凝胶底部使用BCP陶瓷作为软骨下骨修复层，以支撑混合水凝胶（图9A）。这种双层仿生支架能够长时间确保缺损部位的稳定，并有效促进软骨下骨和纤维软骨层的再生。

图9 用于纤维软骨修复的功能性水凝胶

透明软骨修复的一个常见问题是异常的胶原表达会导致纤维软骨的形成。软骨细胞可以感知外部机械力，表达胶原基因，并将这些胶原沉积到细胞外基质（ECM）中，其中I型胶原是纤维软骨的标志，而II型胶原是透明软骨的标志。当ECM中I型胶原与II型胶原的比例过高时，就会形成纤维软骨。与透明软骨相比，纤维软骨的生物和机械性能较差。根据Li等人的研究，可以通过一种称为纤维软骨透明化的方法，将损伤部位自我修复产生的纤维软骨用作透明软骨再生的原材料。该策略的核心是通过改性将现有的纤维软骨转变为透明软骨。Li等人之前的研究表明，微管稳定化可以促进软骨形成并抑制MSCs中I型胶原的表达。基于这项研究，他们开发了一种带有负电荷的温敏性水凝胶，用于持续释放微管稳定药物多西他赛，通过抑制分泌酸性蛋白来抑制纤维化，并促进纤维软骨的透明化（图10A）。在这项工作中，将载有多西他赛的水凝胶注射到大鼠纤维软骨形成后的软骨损伤模型中。注入载有多西他赛的水凝胶后，缺损区域修复组织中的II型/I型胶原比例显著增加。这些结果证实了载有多西他赛的水凝胶能够原位将纤维软骨转化为透明软骨。许多其他功能性水凝胶也被开发出来，用于传递生长因子或蛋白质，以增强BMSCs在缺损区域的成软骨能力。

图10 用于透明软骨修复的功能性水凝胶

生物打印水凝胶材料被广泛用于作为细胞载体应用于耳廓重建。这些水凝胶通常需要使用适当的策略来提高它们的机械性能，例如向水凝胶中添加微纤维或将细胞-水凝胶混合物加载到3D打印的支撑支架上。Martínez Ávila等人开发了一种由纳米纤维纤维素和藻酸盐（NFC-A）组成的生物墨水，用于制备负载软骨细胞的支架。利用与ECM相似的成分，这种支架可以用来构建具有开放内部结构和良好形状保真度的NFC-A耳廓。所得到的NFC-A耳廓结构不仅在形状和尺寸上具有长期稳定性，还能为人类鼻软骨细胞的增殖和重新分化提供一个自然的基质环境，并促进围绕细胞的新合成和积累特定软骨的细胞外基质。另一方面，Visscher等人通过将水凝胶-细胞混合物加载到支撑基底上来开发复合支架。他们使用具有最佳打印性能和机械性能的3D打印PCL支架作为外部模具，并将具有高细胞存活率的藻酸盐水凝胶作为内部天然核心。在他们后续的研究中，提出了将组织来源的去细胞化细胞外基质（dECM）掺入生物墨水以促进细胞粘附、增殖以及分化的想法。他们制备了一种源自软骨的去细胞化ECM甲基丙烯酸酯（cdECMMA）水凝胶（图11A）。所得的cdECMMA水凝胶能够促进细胞存活和增殖，并对软骨组织的形成具有组织特异性效应。

图11 用于弹性软骨修复的功能性水凝胶

2.总结与展望

水凝胶作为一种由3D亲水性聚合物链组成的新兴生物活性材料，由于其内在的仿生特性如生物相容性、可降解性和可控的机械强度，非常适合用于骨组织修复。然而，要实现功能性水凝胶在骨修复中全部潜力仍面临许多挑战。骨修复的复杂需求不再能通过具有单一支架功能的水凝胶来满足，而是需要能够模拟天然骨ECM并尤其刺激细胞迁移、分化和生长的水凝胶。这给水凝胶材料的选择和功能化带来了新的需求和挑战，特别是在生物活性、足够的机械性能、粘附性和受控释放方面。

尽管在水凝胶材料方面取得了巨大进展，但用于骨组织工程的功能性水凝胶仍处于早期阶段。功能性水凝胶应用的基本要求包括但不限于良好的生物活性、机械性能、组织粘附性和受控释放能力。许多实际应用还需要开发具有附加功能的功能性水凝胶，如自愈性、导电性和受控降解性。设计适合骨组织工程特定需求的功能性水凝胶至关重要。因此，本综述提供了对用于骨组织工程的功能性水凝胶的最新进展的概览，重点关注功能性水凝胶材料的设计和制造及其在软骨和骨修复中的应用。本研究团队相信，具有量身定制特性的功能性水凝胶将能够满足骨组织工程中的各种应用需求。

来源：EngineeringForLife