新型水凝胶材料修复关节软骨损伤研究进展

白浪 韩启斌 杨兴 郝跃峰

近年来，在传统水凝胶材料研究的基础上开发新型水凝胶材料，已经成为修复软骨损伤的研究热点。水凝胶是由亲水性聚合物经水膨胀后形成的一种交联网络材料，含水量、弹性、柔软性、力学强度及孔隙率均较高，适宜负载药物和细胞。过去由于技术条件的限制，水凝胶材料在修复关节软骨损伤方面的诸多优势没能够有效发挥。目前，通过改性、杂化等新技术制备的新型水凝胶材料越来越受到重视。

1 天然高分子水凝胶

1.1 壳聚糖水凝胶

壳聚糖是由β-氨基葡萄糖和N-乙酰氨基葡萄糖单元组成的聚阳离子线性多糖，来源于几丁质。壳聚糖链上有带正电荷的氨基，便于药物结合及功能基团接入。Yu等[1]通过形成亚胺键连接功能基团，制备了pH敏感型壳聚糖水凝胶，该水凝胶可根据关节软骨损伤处关节液pH值变化适应性地改变体积，并适时输送负载药物修复软骨。同时，壳聚糖具有优异的细胞黏附性，因此壳聚糖水凝胶可广泛应用于负载间充质干细胞(MSC)[2-3]。Ravundran等[2]以壳聚糖水凝胶为主体并结合细胞外基质制备了一种软骨支架，该支架不仅可以负载MSC并支持MSC在支架内增殖、分化，而且其中可阻碍干细胞向软骨细胞分化的血管内皮生长因子及骨形态发生蛋白-2含量均极低，有利于软骨组织修复。然而，该研究中的壳聚糖水凝胶也存在溶解度低、黏度高及力学强度差等缺陷，可能阻碍透明软骨产生。

将壳聚糖与其他材料杂化已经成为克服壳聚糖水凝胶溶解度低、黏度过高及力学强度差等缺点的热门解决方案。Lee等[4]将壳聚糖与结冷胶混合制备水凝胶，在降低该水凝胶黏度的同时使其压缩模量达到15 kPa，故该水凝胶不仅可以提供足够的力学支持，而且可以促进软骨细胞基因的表达。Zhang等[5]制备的聚谷氨酸-壳聚糖水凝胶不仅黏度低，而且可以诱导软骨细胞表达，使修复后的软骨组织更接近透明软骨。Liu等[6]报道，壳聚糖-丝素蛋白水凝胶的弹性及力学强度较单纯壳聚糖水凝胶均有大幅提升，可以在关节腔内支持软骨细胞生长，并能有效维持软骨细胞表型。

1.2 海藻酸钠水凝胶

海藻酸钠是海藻酸的盐衍生物，是从褐藻中分离得到的一种天然线性多糖，由L-甘露糖醛酸和L-葡萄糖醛酸残基聚合而成。该水凝胶具有柔软性和胶凝性，为天然的可注射水凝胶，在治疗软骨损伤方面其临床可操作性高。经高碘酸钠处理后的海藻酸钠水凝胶部分羟基可转化为醛基并与软骨上的氨基结合，从而实现软骨黏附，有利于再生过程中材料与软骨整合。Khatab等[7]利用海藻酸钠水凝胶负载MSC，该水凝胶一方面能够为干细胞提供物理屏障，使同种异体干细胞免受宿主免疫系统的攻击，另一方面则允许生物因子相互交换，使干细胞在大鼠关节腔内软骨损伤处存活8周以上，故可用于修复大鼠关节软骨损伤。然而，该研究中的海藻酸钠水凝胶存在力学强度和细胞黏附性差以及体内降解速率过快等缺点，因而可能限制药物作用的时间，并阻碍MSC增殖与分化。

为解决细胞黏附性和力学强度差的问题，研究者们提出将海藻酸钠水凝胶与其他材料杂化的方案，并证实硫酸软骨素[8]、透明质酸[9]或聚甲基丙烯酸酯[10]等均可显著提升海藻酸钠水凝胶的细胞黏附性与力学强度，杂化后的水凝胶压缩模量可达10～20 kPa。Stagnaro等[10]将海藻酸钠与聚甲基丙烯酸酯杂化后，水凝胶的弹性模量最高可达40 kPa，可促进MSC在软骨损伤部位增殖与分化。为解决海藻酸钠水凝胶降解速率过快的问题，研究者们尝试使用多种交联方式，包括使用Sr2+[11]进行离子交联、使用邻苯二酚[12]进行共价交联、接入酪氨酸后利用酪氨酸酶[13]交联及加入丝素蛋白[14]后形成化学-物理双交联等。与传统使用Ca2+交联方式相比，这些交联方法可将降解时间延长至2倍以上，有效延长给药时间，促进新生软骨组织形成。

1.3 透明质酸水凝胶

透明质酸是由N-乙酰氨基葡萄糖和葡萄糖醛酸组成的双糖单位，是软骨细胞外基质的主要组成部分，具有生物活性，可以为软骨细胞提供与生理条件相似的微环境，并诱导软骨细胞基因表达。Zhu等[15]制备了不同透明质酸浓度的水凝胶，发现与含1.5%透明质酸的水凝胶相比，含5%透明质酸的水凝胶诱导的软骨标记基因Aggrecan和Sox9表达可达10倍之多，证实透明质酸水凝胶具有可诱导软骨细胞表达的生物活性，可直接修复软骨损伤。同时，透明质酸水凝胶具有弹性高、硬度低的特点，可发挥促进MSC向软骨细胞分化和诱导软骨细胞增殖的作用[16-17]。基于上述特点，许多研究直接将透明质酸水凝胶用作软骨组织工程的支架材料[18-20]。Yan等[21]在一项长达12个月的随访研究中，利用负载卡托根素纳米微粒的透明质酸水凝胶修复猪股骨内侧髁部负重区软骨缺损，发现透明质酸水凝胶可促进MSC黏附、增殖和分化，其高度交联网络可使增殖细胞的形态趋近于圆形而非延伸形，从而最大限度地促进软骨组织形成，但其修复8.5 mm缺损的效果明显逊于修复6.5 mm缺损的效果，可能与透明质酸水凝胶降解速率过快有关。

透明质酸水凝胶降解过快导致其负载的药物无法持续输送至软骨，将透明质酸改性即可解决这一问题。最常见的方案是将其甲基丙烯酸化后再进行紫外光交联，从而形成甲基丙烯酸透明质酸。Shi等[22]使用甲基丙烯酸透明质酸水凝胶输送药物进行软骨修复，水凝胶的降解时间可延长至3周以上，有效维持了局部药物浓度。另一种方案是利用邻硝基苯甲醇基团对透明质酸进行部分改性[23-24]，使其不仅具备较强的软骨组织黏附性，而且其降解时间可延长至2周以上，故能有效维持细胞外基质在软骨损伤部位的沉积和重塑。

1.4 明胶水凝胶

明胶是胶原部分水解后的产物，其交联条件简单，低温下即可自发交联，且具备一定的细胞黏附性，也可促进MSC向软骨细胞分化。但明胶水凝胶存在热稳定性差、降解速率过快、力学强度差等问题，导致其难以应用于修复软骨损伤[25]。

van den Bulcke等[26]通过制备甲基丙烯酰胺基明胶(GelMA)水凝胶解决了明胶热稳定性差及降解速率过快的问题。Pahoff等[27]研究发现，使用不同来源的明胶及不同光引发剂制备的GelMA水凝胶均能促进软骨细胞的黏附与增殖，且GelMA水凝胶本身热稳定性好，降解时间可长达数周，有利于细胞外基质沉积和新生软骨组织形成。目前，GelMA水凝胶已广泛应用于修复动物软骨损伤[28-29]。然而，GelMA水凝胶的力学强度较差，在一定程度上不利于软骨修复。为解决这一问题，Han等[30]将GelMA水凝胶与聚丙烯酰胺杂化后制备了一种新型水凝胶，该水凝胶抗压强度和储能模量分别可达0.38 MPa和1 kPa，均较杂化前的GelMA水凝胶提升2倍以上，将该水凝胶作为高力学强度软骨支架搭载生长因子可明显提升软骨细胞基因的表达，能完全修复兔的膝关节软骨全层缺损。Wang等[31]研究发现，将明胶和羟基苯丙酸杂化后制备的水凝胶的储能模量可达2.75 kPa，其高力学强度可诱导软骨细胞分泌硫酸化蛋白多糖及Ⅱ型胶原，并促进新生关节软骨组织生成。

2 合成高分子水凝胶

2.1 聚乙二醇水凝胶

聚乙二醇(PEG)水凝胶弹性、含水量和力学强度均较大，因而在软骨损伤修复中最常用[32]。Mohanraj等[33]利用PEG水凝胶作为药物载体修复软骨损伤。然而，PEG的化学组成不包含生物识别位点[34]，不具备软骨细胞黏附性，因此需要对PEG水凝胶进行修饰，以使原本惰性的网络具有仿生性和细胞响应性。

Zhang等[35]将PEG与丝素蛋白杂化制备出新型双层网络水凝胶，其细胞黏附性好、凝胶速度快、生物相容性及力学强度高，可为负载的MSC提供适宜的微环境，并可促进软骨细胞基因的表达。Kharkar等[36]将PEG与透明质酸混合制备水凝胶，该水凝胶细胞黏附性好，可促进软骨细胞增殖和细胞外基质沉积，并抑制软骨细胞肥大化，进而修复软骨损伤。此外，Petit等[37]将 PEG与聚己内酯-共丙交酯结合，制备的水凝胶在保留高力学强度的基础上，具备良好的软骨细胞黏附性，可作为软骨支架负载MSC修复软骨损伤。

2.2 聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶

聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAAM)水凝胶是一种常见的物理交联的合成水凝胶，具有高力学强度及反相热敏性。PNIPAAM链之间的物理作用可以增强聚合物的硬度，从而提升其力学强度。Means等[38]报道了一种PNIPAAM与聚(2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸)构成的双网络水凝胶，该水凝胶的力学强度、弹性和含水量与天然关节软骨相当，且摩擦系数降低了50%，可作为软骨支架修复软骨损伤。然而，PNIPAAM生物相容性差，且无法诱导MSC向软骨细胞分化，上述缺陷限制了PNIPAAM水凝胶在软骨缺损修复中的应用。

为解决上述问题，研究者将PNIPAAM与天然高分子材料(透明质酸[39]、壳聚糖[40]及硫酸软骨素[41]等)混合，在保留材料的高力学强度并改善其生物相容性的同时，使其具备诱导MSC成软骨方向分化的能力。Saghebasl等[42]制备了一种将明胶与PNIPAAM共混的五嵌段共聚物水凝胶，该水凝胶同时具备软骨细胞的黏附性、生物相容性及高力学强度，可用于负载MSC修复软骨损伤。

3 结语

水凝胶含水量高，弹性好，具有一定力学强度，易负载药物和细胞且可模拟细胞外微环境，有助于促进MSC增殖与分化，诱导软骨细胞基因表达，促进Ⅱ型胶原蛋白生成，可修复软骨损伤。天然高分子水凝胶可模拟细胞外基质，能为软骨损伤修复提供合适的微环境，安全性好，发展前景良好。然而，天然高分子水凝胶普遍存在力学性能差及降解速率过快的缺陷，不利于MSC分化及新生软骨组织替代。合成水凝胶力学强度高，但其生物安全性、细胞黏附性仍有不足。鉴于不同材料制备的水凝胶各有利弊，研究者们将优越性互补的数种材料杂化，以制备性质稳定、生物相容性好、力学强度高、软骨黏附性强及生物活性高的新型水凝胶。具备这些优点的新型水凝胶在治疗软骨损伤方面具有良好的应用前景，随着相关研究的进一步深入，新型水凝胶将作为药物及细胞载体，为修复软骨缺损提供令人满意的解决方案。