海藻酸钠基水凝胶在软硬组织工程中的应用进展

张 炜，宋 颖，彭 伟，张云泉

(华北理工大学口腔医学院，河北 唐山 063000)

组织缺损主要由创伤、肿瘤、先天缺陷等相关疾病引起，对患者的生活品质造成严重影响。近年来，组织工程技术在缺损组织的修复和再生中起到关键作用[1]，其中种子细胞、支架材料以及相关生长因子被视为组织工程技术赖以实施的3个关键因素[2]。支架材料可以替代缺损组织的框架结构，不仅可以供细胞附着生长，同时还可负载生长因子，这无疑成为了组织工程的重点和关键。其中，海藻酸钠基水凝胶作为支架材料能为细胞提供营养物质、促进代谢产物排除、引导其分化及增殖[3]，还可作为控释生长因子及药物的载体[4]。另外，海藻酸钠基水凝胶具有高度亲水性和保湿性，可吸收大量伤口分泌物，促进表皮再生，又可缓慢释放抗菌剂、抗炎剂而被广泛用作医用敷料[5]。基于这些优良特性，海藻酸钠基水凝胶被广泛应用于支架材料的研究，同时在药物缓释、组织工程和再生医学等众多领域都得到了较为深入的探究。作者在此介绍海藻酸钠的结构与特点，综述海藻酸钠基水凝胶在骨和软骨等硬组织以及神经和心血管等软组织再生领域的应用进展。

1 海藻酸钠的结构与特点

海藻酸钠(sodium alginate，SA)是从褐藻类的海带或马尾藻中提取碘和甘露醇之后的副产物，由β-D-甘露糖醛酸(β-D-mannuronic，M)和α-L-古洛糖醛酸(α-L-guluronic，G)分子依据(1→4)键连接而成，是由一定比例的GM、MM和GG片段组成的共聚物[6]。海藻酸钠无毒可食用，来源丰富，价格低廉，不仅早期被收录于《美国药典》，2019年Plenity品牌的一种海藻酸钠还被批准用于减肥。海藻酸钠在水溶液中有聚阴离子能力，产生黏附性，可作为用药载体吸附于黏膜组织[7-8]。海藻酸钠有一定的pH值敏感性[9]，pH值越大，其亲水性越强；反之，亲水性越弱。

2 海藻酸钠基水凝胶在组织工程中的应用

海藻酸钠基水凝胶的制备方法主要有物理交联、化学交联、酶交联等[10]。当某些二价阳离子如Ca2+、Sr2+等存在时，G单元上的Na+可与之发生离子交换，形成网络凝胶结构。这种结构有利于药物的负载和细胞的黏附，而较为温和的成胶条件可保证其负载的敏感性药物、细胞或蛋白质等物质的活性。

2.1 在硬组织再生中的应用

2.1.1 骨组织

骨组织工程技术的目标是应用可生物降解的支架作为临时基质来支持和引导骨再生，以恢复受损骨组织的形态和功能[11]。目前，各种支架材料如金属材料、生物活性陶瓷材料、高分子聚合物以及复合材料等由于自身存在某些固有局限性以及在长期修复中会导致不良副作用等弊端限制了其在组织工程中的应用。海藻酸钠基水凝胶因其组织相容性好且纯天然无毒，是骨组织工程较为理想的候选材料之一，然而纯天然多糖材料在生理条件下显示出较差的机械性能，因此，其在实际应用中受到一定限制[12]。许多研究者尝试在海藻酸钠基水凝胶中引入其它单体以改善水凝胶的机械性能。Xu等[13]采用双交联法，利用聚乙烯醇、海藻酸钠、羟基磷灰石制备了一种力学性能、含水率和孔隙率均可调的复合水凝胶，该复合水凝胶在PBS溶液中可以逐渐降解，且水凝胶表面容易形成片状羟基磷灰石纳米晶体，大大提高了细胞的碱性磷酸酶活性，对细胞生长、增殖和成骨有着显著的促进作用。 Suneetha等[14]利用壳聚糖(CS)和海藻酸钠为基础的聚电解质复合物(PECs)在聚丙烯酰胺(PAM)交联网络(PEC-PAM)中进行自由基聚合，制备了具有纤维拓扑结构的机械改良型大孔水凝胶，体外实验结果表明，该水凝胶的孔隙率、孔径和力学性能均得到有效改善，更利于细胞黏附和生长。Fu等[15]采用3D打印技术制备了具有可控双药物释放的层状介孔生物活性玻璃/海藻酸钠-海藻酸钠(MBG/SA-SA)支架，证实层状MBG/SA-SA支架比单纯海藻酸钠支架更能促进人骨髓间充质干细胞(HBMSCs)的黏附、增殖和成骨分化。

2.1.2 软骨组织

近年来海藻酸钠基水凝胶在软骨组织再生中的应用研究取得了尤为显著的成果。水凝胶与天然软骨细胞外基质拥有高度相似性，且可使细胞均匀悬浮于其中并维持软骨细胞形态，这些优势有利于细胞的体外培养，但天然水凝胶在结构特点及力学性能上无法满足软骨组织再生的要求[16]。Xiang等[17]将海藻酸钠和富血小板血浆共混，制备了一种新型的复合水凝胶，与单纯海藻酸钠基水凝胶相比，该复合水凝胶不仅在压缩机械强度方面有所提高，且体外细胞实验也表现出更好的相容性。Fan等[18]通过对海藻酸钠和明胶的改性，制备了一种力学性能优越、可延长软骨组织再生时间的可注射性双交联水凝胶，该水凝胶生物学性能良好，可有效促进软骨组织的原位再生。另外，连续分层可注射支架尤其适合骨-软骨结构再生，为软骨的重建和再生提供了治疗新思路[19]。总之，海藻酸钠基水凝胶可灵活运用于多种骨组织结构的缺损修复，为硬组织缺损的修复提供了新思路。

2.2 在软组织再生中的应用

2.2.1 神经组织

周围神经损伤常伴随不同程度的感觉和运动功能异常。目前，自体神经移植作为临床治疗的金标准，仍存在来源受限、尺寸不匹配及对供区有一定损害等问题[20]。所以，利用3D打印技术，开发体外高度匹配且生物相容性好的支架材料是解决上述问题的一种有效途径。3D打印技术是组织工程中的一项革命性技术，它主要通过控制生物材料层层沉积和细胞的高精度定位，达到在体外复制三维功能活性组织支架的目的[21]。海藻酸钠基水凝胶由于其良好的可操作性，常作为3D生物打印技术的生物墨水[22]应用于软组织再生的研究。Wu等[23]利用3D生物打印技术构建了一种含有大鼠雪旺细胞的明胶/海藻酸钠基水凝胶复合神经支架，即三维生物印花明胶-海藻酸钠/雪旺细胞复合支架，能够有效改善细胞黏附和相关因子的表达。Fantini 等[24]结合3D生物打印技术，将神经元干细胞封装于由海藻酸钠和明胶共混的凝胶生物墨水中，目的在于建立高仿真的体外研究模型来模拟神经退行性疾病的发病机制，结果显示，该模型不仅保持了良好的打印形状，而且细胞也在其中表现出良好的生存能力。Chen等[25]将不同体积的聚丙烯酰胺、氧化石墨烯、明胶和海藻酸钠共混，制备了一种生物活性复合水凝胶导管作为修复大鼠坐骨神经缺损的三维支架，该复合水凝胶导管可促进神经修复。由此可见，3D打印技术结合海藻酸钠基水凝胶制备的支架材料在神经组织缺损的修复中发挥了重要作用。

2.2.2 心血管组织

除神经组织外，海藻酸钠基水凝胶近年来还被广泛应用于血管、心肌等软组织再生的研究。Liu 等[26]制备了不同浓度配比的蛋白/海藻酸钠基水凝胶，细胞实验结果表明，人脐静脉内皮细胞能够成功附着在制备的支架材料上，并且在整个附着过程中保持较高的活性，观察发现，在支架材料内部的纤维有新血管网络的形成。另外，还有研究[27]表明，利用海藻酸钠基水凝胶支架可有效诱导心肌梗死后的心肌修复，为心脏组织工程提供初步理论依据；它还可作为皮肤替代物，起到第一层屏障的作用[28]。由此可见，海藻酸钠基水凝胶在神经、心血管等软组织的再生中有良好的开发与应用前景。

3 海藻酸钠基水凝胶在其它方面的应用

除上述应用外，海藻酸钠基水凝胶还可作为优异的药物传递材料[29]，应用于胃肠道等黏膜组织的药物缓释[30-31]；海藻酸钠基水凝胶还可以改善伤口敷料的亲水性，以创造所需的湿润伤口环境，清除伤口渗出物，加快伤口皮肤恢复速度[32]，已应用到如糖尿病创口、烧伤创口、外科手术创口、各种急慢性损伤等多种创面敷料的研发中[33-35]。但由于海藻酸钠基水凝胶机械强度、血管生成和抗菌性能的不足而限制了其广泛应用[36-37]。因此，Diniz等[38]将银离子引入海藻酸钠基水凝胶，试图在提高抗菌性能的同时改善其机械性能。

4 结语

近年来，海藻酸钠基水凝胶被广泛用于骨和软骨等硬组织以及神经和心血管等软组织的再生研究，而探究细胞在三维条件下的体外生长、增殖及分化是目前组织工程支架研究的热点，因此，越来越多研究者利用具有三维结构的海藻酸钠基水凝胶构建高仿真组织再生支架，且均取得较好效果。海藻酸钠基水凝胶作为支架材料生物相容性好、天然无毒，具有与细胞外基质相似、适宜细胞生长及分化的结构、材料廉价易得等优势。可以通过引入单体使其力学性能得到较大改善，提高其在生理条件下的适用性。然而，海藻酸钠基水凝胶应用于组织工程仍存在许多问题：(1)应用于组织工程中的海藻酸钠基水凝胶的机械性能有待进一步改善；(2)3D打印的海藻酸钠基水凝胶生物墨水尚未有规格选择上的统一和性能的评价标准，对其可重复性的检验方法有待进一步研究；(3)具有可注射能力的海藻酸钠基水凝胶是组织工程应用中较为有前景的生物材料之一，如何加强成胶稳定性仍有待进一步探究；(4)单纯药物控释支架的研究已日趋成熟，但构建具有可控双药物释放行为的支架仍是一个挑战。相信，随着研究的深入，海藻酸钠基水凝胶会有更广泛的应用。