刺激響應型水凝膠在骨修復中的應用綜述

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

衰老、疾病、創傷等因素引起的骨缺損對人體產生極大危害，因此需要有效的治療方法實現骨組織的修復和再生。在過去的數十年中，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、感染與并發癥風險等，骨移植的應用受到限制[2-3]。因此骨移植替代材料的研發受到學者們的關注。骨修復是由骨細胞、成骨細胞、破骨細胞[三種細胞組成的基礎多細胞單元(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，導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境，即細胞外基質(extracellular matrix，ECM)，因此模擬天然 ECM 是構造組織工程支架的關鍵[4]。其中水凝膠因為其良好的生物相容性、生物降解性、親水性已被廣泛應用于生物醫學領域，為細胞的黏附、遷移和分化提供了可調的三維支架[5]。然而，傳統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，在復雜骨缺損的治療中，傳統水凝膠無法精確填補不規則的缺損部位，這些不足嚴重限制了其在骨缺損修復中的應用。近年來，隨著骨組織工程技術的迅速發展，“刺激響應型水凝膠”被引入骨修復領域，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、固液相態等性質上觸發轉變，產生可注射性、自愈合性、形狀記憶等性能，使骨修復的治療實現微創化，并且可以精準匹配復雜的骨缺損，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型水凝膠在骨缺損修復中的研究進行綜述，旨在為骨缺損修復提供新的思路與方法。

1 溫度響應型水凝膠

溫度響應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生物理和化學變化，從而進行狀態的轉變。溫敏水凝膠通常同時具備親水和疏水基團，具有溫度響應的相轉變性質，在某 一 臨 界 溶 液 溫 度(critical solution temperature，CST)時會與溶劑產生親和力的變化，進行溶脹-收縮狀態轉變，即溶膠-凝膠狀態轉變，這一溫度轉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生溶脹，此溫度稱之為LCST，反之則為UCST[7]。

應用于骨修復的最常見的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，結合近紅外熒光團進行熱靶向試驗，結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型納米凝膠上。在因腫瘤導致的骨缺損中，這種納米凝膠可以靶向治療癌癥及其導致的骨缺損。聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)和聚己內酯(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材料的PEG-PCL-PEG水凝膠，在37℃以上時PEG-PCLPEG水溶液從溶膠轉變為凝膠且降至10℃時可逆性恢復。這種水凝膠在治療骨組織缺損時具有微創、高精準匹配度等優點。Fu等[10]將膠原和羥基磷灰石結合于PEG-PCL-PEG共聚體中制成水凝膠，其生物相容性和仿生微結構的增強使其在骨缺損治療中具有優異的性能。

常見的UCST型溫敏材料為聚丙烯酸[11]、明膠[12]等。但其在骨修復中的應用較少，可能與其UCST較高有關，較高的溶膠狀態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響應型水凝膠

pH響應型水凝膠是由聚合物主鏈和離子側基組成的對酸堿度敏感的水凝膠，通過吸收或釋放質子響應周圍酸堿度的變化，從而進行溶脹與收縮的轉換[13]。隨著周圍環境的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生顯著變化，離子基團中產生強烈的靜電排斥力，導致體積的驟變。根據帶電基團的電荷性質，將pH響應型水凝膠分為兩類，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]。在高酸堿度環境下(pH＞pKa)，排斥帶電基團導致水凝膠發生溶脹[15]。同理，在低酸堿度環境下(pH＞pKb)，帶有氨基等正電荷基團的陽離子水凝膠發生改變[16]。同時有學者指出，為了更好地模擬天然的細胞外基質，應該使用弱聚合電解質來合成對酸堿度敏感的水凝膠。弱聚合電解質中的離子強度可以通過改變溶液的酸堿度來平滑地調節，以達到所需的機械性能[17]。

最常見的pH響應型水凝膠是通過三嵌段拓撲結構的共聚，在其疏水末端引入弱電解質，從而形成的硬度可調性良好、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范圍內調節溶液pH，就能生產出楊氏模數為1.4～40 kPa的高度可調的水凝膠。這種水凝膠即使在復雜的應力情況下，仍可很好地進行自然環境的模擬，在處理不同骨缺損導致的復雜應力時有著廣泛的應用。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，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，在大段骨缺損修復中有很大的應用前景。

3 光響應型水凝膠

光作為一種遠程刺激，可以在空間和時間上呈現精確的控制[22]。光響應型水凝膠通常包括聚合物網絡和光反應部分[23]，其可以根據不同的光反應分為兩類：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合[24]；可溶性光引發劑，如Irgacure 2959[25]、苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸鋰[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絡中[28]。

對于第一類水凝膠，光信號先被光致變色分子捕捉，然后通過生色團轉換為化學信號[29]。這類水凝膠可以通過改變光響應水凝膠的基質實現對材料力學的操縱[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，制備可調節硬度的水凝膠[32]。Lee等[33]制備的光誘導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，并且通過間充質干細胞驗證了其生物相容性，這種硬度可調的水凝膠支架有望在不同位置的骨缺損中發揮重要作用。對于第二類水凝膠，光引發劑在光照下會分解成自由基，從而促進聚合反應[26]。如Khetan等[25]報道了一種逐步制備甲基丙烯酸透明質酸水凝膠的方法，通過將二硫蘇糖醇引入甲基丙烯酸透明質酸溶液中來實現水凝膠的初始凝膠化。當初始化水凝膠被光引發劑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水凝膠都可以調節水凝膠的物理或化學性質。光反應部分對特定的波長很敏感，這可以加強對光響應性水凝膠的控制[34]。

4 氧化還原響應型水凝膠

氧化還原響應型水凝膠是一種能夠對其組成分子的還原和氧化做出反應的材料。氧化還原響應型水凝膠通過在聚合物主干內的部分亞基發生氧化還原反應，使相反離子涌入以平衡新形成的電荷，最終導致材料的膨脹反應[35]。

不同的金屬離子賦予材料不同的氧化還原響應性，從而使其擁有不同的力學性能。如鋅和銅雙離子誘導的水凝膠可將硬度調節至0.179～9.53 MPa，從而促進人骨髓間充質干細胞分化[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上賦予水凝膠形狀記憶功能[37]。鐵離子被認為是生物醫學應用中一種很有前途的交聯劑，通過三價鐵離子和二價鐵離子兩種氧化態之間轉換，可以使水凝膠具有氧化還原響應性和可調的力學性能。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，完成二價鐵離子與三價鐵離子之間的切換，從而在軟態(0.06 MPa)和硬態(2.1 MPa)之間進行可逆循環。大量學者研究了金屬離子與材料機械性能之間的關系，他們也證實了氧化還原反應對于水凝膠硬度的調節可以促進骨再生。然而關于金屬離子與生物礦化之間的關系還需進一步研究，這或許會成為將來研究的熱點問題。

5 磁響應型水凝膠

磁響應型水凝膠通常由基質水凝膠和加入到基質中的磁性成分制成，因其對于外部磁場的磁性反應和其特殊功能結構，可遠程調節細胞、組織或器官周圍環境的物理、生化和機械性質[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中的應用。羥基磷灰石(hydroxyapatite，HAP)是天然骨無機物質中最重要的成分之一，其具有良好的生物相容性和骨傳導性，且在生物礦化中起著關鍵作用，因此HAP廣泛用作磁性復合水凝膠的基質[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，這對其在骨修復中的應用至關重要。隨著m-nHAP含量的增加，水凝膠內部的孔徑逐漸增大，這有利于養分的交換并且使成骨細胞的黏附和增殖顯著增加[43]。

6 其他響應型(葡萄糖、酶、離子等)水凝膠

葡萄糖響應型水凝膠可隨著環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胰島素遞送系統，葡萄糖能夠使Con A-聚合物復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對高濃度血糖區域進行識別，從而促進胰島素的釋放[45]。

由于酶在機體活動中發揮著重要的作用，因此有學者研究了對酶異常做出響應的水凝膠，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，進行實現對自身釋放的調節[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，復合材料水凝膠也可以實現對特定的離子類型做出響應，有學者指出基于β-環式糊精和疏水2,2-聯吡啶的離子響應型水凝膠，可以通過其金屬配體與宿主基團的反應變化導致其化學選擇黏附性能發生改變[48]。

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

7 結語

過去10年間生物響應材料得到了迅速的發展，上述幾種刺激響應型水凝膠是制備組織工程支架的典型代表材料。刺激響應型水凝膠不僅具有傳統水凝膠的高度親水性、良好的生物相容性等優點，同時又有可調控的刺激響應性，這使其廣泛應用于骨組織工程中。然而，雖然已經有很多學者肯定了通過生物響應型水凝膠進行骨修復的療效，但其對大段骨缺損的治療效果尚未達到預期，這可能是因為在微創治療骨缺損的同時，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，刺激響應型3D水凝膠在具有生物相容性、骨傳導性、骨誘導性、成骨作用的同時，應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的復雜要求。另一個比較大的挑戰是生物材料與體內局部微環境的結合程度。生物材料植入后，微環境的改變對骨形成有很大的影響，因此實時監測材料在體內產生的變化至關重要。相信隨著骨組織工程的不斷進步，刺激響應型水凝膠會快速發展，從而為骨缺損的臨床治療提供更多的方案。