水凝胶在肩袖损伤治疗中的研究进展

李翔 潘凌霄

肩袖是由冈上肌、冈下肌、小圆肌及肩胛下肌组成的一组具有协同功能的肌群，4 块肌肉的肌腱部分在肱骨头解剖颈处形成袖套状结构，围绕肩关节的上、后和前方，并与肩关节囊附着，肌腱连接到骨骼的界面被称为腱 - 骨界面 ( tendon-bone interface，TBI )，通过这种方式肩袖将肩胛骨周围的肌肉连接到肱骨。该区域是应力最集中的位置，因此容易出现损伤[1-3]。肩袖损伤是常见的肩部病变，随着年龄的增长发病率逐渐提高。外伤和慢性损伤是造成肩袖损伤的主要因素[1,4]。当保守治疗失败时，通常需要手术对其进行修复，常见的修复方法包括传统开放式手术、关节镜下肩袖修复术 ( arthroscopic rotator cuff repair，ARCR ) 和反向全肩关节置换术。ARCR 是许多外科医师的首选方法[5]。尽管 ARCR 已经取得了令人满意的成就，但仍存在术后顽固性疼痛、功能障碍以及术后再撕裂等问题[6-7]。针对以上情况，水凝胶开始受到广泛的关注。

组织工程将生命科学和工程材料学相结合，为肩袖修复提供了一种新思路。作为一种重要的生物材料，水凝胶是由交联聚合物链组成的高度水合网络，可以由天然物质、合成物质或半合成物质组成聚合物骨架[8]。水凝胶通常在合成之初就设计成能够结合各种物质，例如活性因子、激素和化学物质等，并通过缓释来诱导相应的细胞反应，例如诱导细胞定向分化和提高细胞存活率[9-10]。理想的水凝胶应同时适合细胞或生长因子的黏附和运输，与其它生物材料相比，水凝胶具有与细胞外基质相似的多孔结构，可作为细胞或骨生长的载体[11-12]。此外，水凝胶质地柔软能够与许多生物组织相匹配，降低周围细胞和组织的炎症反应[13]。因此，水凝胶可作为治疗肩袖损伤的一种方法[14]。现就近年来不同水凝胶应用于肩袖损伤及其进展进行综述。

一、应用于肩袖损伤的水凝胶分类

TBI 是肌腱组织和骨组织之间的过渡，尤其是在纤维软骨区由于血供不足而愈合缓慢，纤维软骨愈合是通过富含 Ⅰ 型胶原蛋白形成的疤痕组织增生从而进行[15]。与骨愈合相比，TBI 再生尤其是纤维软骨再生是有限的，这对 TBI 修复提出了巨大的挑战。水凝胶是一种高度水合的材料，它可以吸收大量的水分和溶质，并形成一种软性凝胶[16]。对于输送药物，水凝胶结合了微创应用、固有黏附和药物缓释等优点。此外，水凝胶还允许宿主降解并用修复组织替换它们，去除水凝胶不需要额外的手术[17]。为了促进 TBI 愈合，应用于该部位的水凝胶应满足以下要求：( 1 ) 须尽可能地再现 TBI 的区域结构，包括基质成分、微观结构和机械特性；( 2 ) 水凝胶需要支持不同细胞的黏附、增殖和分化；( 3 ) 水凝胶应该以与组织再生速率相似的速率降解。

应用于肩袖损伤的水凝胶可以分为天然水凝胶、合成水凝胶及复合水凝胶。

1. 天然水凝胶：天然水凝胶是从植物或动物中获得的，由蛋白质和多糖组成。明胶 ( Gelatin ) 水凝胶[18]、胶原蛋白 ( Collagen ) 水凝胶[19]、蚕丝蛋白 ( Silk Fibroin ) 水凝胶[20]、透明质酸 ( HA ) 水凝胶[21]、海藻酸盐 ( Alginate )水凝胶[22]等都是常用于制备水凝胶的天然材料，天然水凝胶拥有优异的生物相容性和易加工性。

( 1 ) Gelatin 是一种被广泛使用的动物来源胶原蛋白，也是骨和软骨在内的大多数组织的主要成分。Gelatin 作为生物医学支架，具有良好的生物相容性、可降解性等。Gelatin 降解依赖于蛋白酶介导的蛋白水解，体内降解并未显示会刺激炎症反应[23]。除此之外，Gelatin 具有较低的免疫原性，有利于 Gelatin 作为细胞负载支架。重要的是，Gelatin 中的精氨酸 - 甘氨酸 - 天冬氨酸序列可以与干细胞相互作用，从而促进细胞增殖、黏附和迁移[24]。然而，明胶水凝胶因机械性能相对有限，限制了其应用。

( 2 ) Collagen 是骨科应用中使用最广泛的天然聚合物，也是细胞外基质的关键成分，其中 Ⅰ 型 Collagen 是体内最丰富的结构蛋白。Ⅰ 型 Collagen 在组织工程中的广泛应用，它由两条 α1 和一条 α2 链组成，它的内、外部交联能力可以用来制造各种不同机械性能的水凝胶，以匹配植入时与周围结构相似的力学性能。Collagen 也是一种高度生物相容的材料，为细胞附着和增殖提供了理想的环境[25]。Hee 等[26]使用人重组血小板生长因子 ( rhPDGF-BB )与 Ⅰ 型 Collagen 水凝胶结合制造了一种水凝胶放置于绵羊肩袖修复模型中，术后表明与单纯缝合相比实验组改善了绵羊肩袖的生物力学强度和解剖学外观，并且在炎症或细胞结构方面没有观察到显著差异。

( 3 ) Silk Fibroin 主要由蚕和蜘蛛产生的纤维蛋白，以水溶蛋白的形式存在。作为一种广泛应用于组织工程中的生物材料，丝素蛋白具有良好的生物相容性和可调节的降解性。然而 Silk Fibroin 的一个缺点是缺乏细胞黏附性，这导致其与细胞的相互作用性较差[27-28]。

( 4 ) HA 是由二糖 β-1，4-D-葡萄糖醛酸-β-1，3-N-乙酰-D-葡萄糖胺重复组合形成的非磺化糖胺聚糖，这种多糖天然存在于人体内，是细胞运动的关键介质[28]。它能够与水快速结合，并且具有优异的生物相容性、生物降解性和凝胶特性。HA 可以与各种生物大分子交联或缀合，有效负载各种药物，甚至是纳米颗粒，因此，它被广泛应用于生物医学领域，并具有充当受控药物递送材料的巨大潜力[29]。Lin 等[30]制造了一种 HA 水凝胶并将法尼醇( Farnesol ) 与其结合用于治疗肩袖损伤的修复。然而，透明质酸表现出较差的机械性能和通过氧化物种和酶降解的快速降解，这阻碍了它在一些生物应用中的使用。

( 5 ) Alginate 是一种多糖，由两种不同的醛酸组成，天然存在于藻类细胞壁和假单胞菌的荚膜中，因此可以从褐藻和细菌中获得。Alginate 具有良好的生物相容性、生物降解性等生理特性，在伤口敷料、药物输送和组织工程等生物医学领域得到了广泛的应用。然而，Alginate 水凝胶发展面临两方面的缺点：一是由于机械性能较弱而导致形态维持能力和完整性较低；二是损害干细胞的黏附和增殖。为了解决这些问题，将不同的生物材料与 Alginate 混合形成复合材料，以改善其性能并满足组织工程学的要求。Freedman 等[31]研究出的一种坚韧的黏合水凝胶，由Alginate 水凝胶加上丙烯酰胺 ( acrylamide ) 水凝胶使该水凝胶可以在整个网络中分配应力，又用壳聚糖 ( chitosan )与水凝胶偶联实现对组织的黏附，从而实现了对肩袖的黏附又有足够的支撑力。

2. 合成及复合水凝胶：天然水凝胶通常具有良好的生物相容性和生物降解性，但机械强度较差[32]。合成及复合水凝胶具有更好的吸水性、更大的强度和更长的使用寿命，逐渐取代天然水凝胶[33]。常见的包括甲基丙烯酸酯化明胶 ( GelMA ) 水凝胶[34]、聚乳酸 - 乙醇酸( PLGA-PEG )[20]等。

GelMA 是由 Gelatin 与甲基丙烯酸酐在磷酸盐缓冲液中在 50 ℃ 下直接反应合成的。由于 GelMA 具有优异的生物相容性、力学性能和生物活性，GelMA 可以作为活性细胞培养的材料[35]。PLGA 是一种由乳酸和乙醇酸组成的共聚物，由于其拥有生物降解性、独特的吸附性能和优异的生物相容性等性能，已经被广泛用于运输药物、蛋白质、RNA 和 DNA 等[36]。PLGA 还可与其它聚合物结合使用，比如 PLGA-PEG-PLGA 三嵌段共聚物。但合成生物材料与天然生物材料相比，合成生物材料的生物相容性和生物活性较低[13]。所以，各种复合水凝胶开始涌现出来。Yan 等[37]发明了一种双层复合水凝胶，他们首先制备了一种装有布洛芬 ( IBU ) 的 PLGA 电纺膜，简称为 EMI( electrospun membrane loaded with IBU )。之后 Yan 等合成了甲氧基聚乙二醇嵌段聚 L-缬氨酸 ( PEG-PLV )，将碱性成纤维细胞生长因子 ( bFGF ) 加入到 PEG-PLV 溶液中，凝胶化后得到含有 bFGF 的水凝胶 ( PLVB )。将 PLVB 应用于 EMI 表面，得到双层复合膜 EMI-PLVB。最后证明该双层复合膜的药物释放系统能有效防止肌腱粘连，并且促进肌腱愈合。

二、负载各类不同调节因子的水凝胶于肩袖修复中的应用

根据肩袖损伤的各类机制，水凝胶可以通过携带多种成分，比如抗炎药物、细胞因子、干细胞、金属离子、基质金属蛋白酶 ( MMPs ) 等发挥作用。

1. 抗炎药物：肩袖肌腱损伤后普遍认为炎症是影响因素之一[38]。TBI 处的炎症细胞会促进瘢痕形成[39]。抑制慢性炎症是提高肩袖质量、促进愈合、预防手术修复后再撕裂的有效手段[40]。由于水凝胶内部存在大量空隙且降解缓慢，因此它们可以作为输送抗炎药物的合适中介。

Chen 等[41]根据姜黄素 ( Curcumin ) 的特点，研发了一种 Curcumin & 镁离子 ( Mg2+) 的新型水凝胶。研究人员将大鼠骨髓间充质干细胞 ( BMSCs ) 暴露于过氧化氢 ( H2O2)诱导氧化损伤，并评估从水凝胶中释放的 Curcumin 是否具有保护作用。结果表明，从水凝胶中释放的 Curcumin抑制了 H2O2对 BMSCs 的损伤。炎症细胞因子白细胞介素 1β ( IL-1β )、肿瘤坏死因子 α ( TNF-α ) 以及与 IL-1β 相关的炎性因子也在 Curcumin 的作用下浓度降低。在造模大鼠上也验证了相应的结果。Farnesol 是一种来自水果的倍半萜类化合物，具有抗炎和抗氧化作用，并且能够促进 Collagen 的合成。如上文所提到的 Lin 等[30]将其应用于HA 制造出一种 Farnesol 水凝胶膜，该膜具有抗炎作用并促进胶原蛋白合成，从而促进造模兔肩袖的愈合，并抑制了炎症细胞因子的释放。基于上述研究，初步认为抗炎药物与水凝胶联合使用可以通过下调 TBI 周围炎症环境来部分改善、缓解不适症状，促进损伤的修复。

2. 细胞因子：许多生物因子涉及协调 TBI 的愈合，其可以介导细胞相互作用并促进细胞生长、胶原沉积和血管生成，从而促进肩袖修复[42]。但这些生物因子的应用受到诸如释放过快及快速清除等问题的阻碍。将这些生长因子整合入水凝胶中，可以延长其作用持续时间，从而为修复TBI 创造有利的微环境。

Zhou 等[43]将成纤维细胞生长因子 18 ( FGF-18 ) 置入海藻酸钠 ( SA ) 水凝胶内注射到造模大鼠肩袖受损处，最后发现该水凝胶通过促进纤维软骨假体的再生来改善大鼠 TBI 的愈合。Tokunaga 等[44]将载有成纤维细胞生长因子 2 ( FGF-2 ) 的 Gelatin 水凝胶与普通水凝胶在大鼠肩袖上对比，结果表明 FGF-2 促进腱祖细胞的生长，参与肌腱愈合，大鼠肩袖的生物力学和组织学从而得到改善。Zhu等[45]联合多种 GF，将转化生长因子 β1 ( TGF-β1 )、胰岛素样生长因子 1 ( IGF-1 ) 和甲状旁腺激素 ( PTH ) 的组合加入聚乙烯醇 - 酪胺 ( PVA-Tyramine ) 水凝胶中用于将 GF 组合递送至 TBI。GF 组合在体外实验中促进人肌腱细胞和软骨生长，而在体内实验中它改善组织学形态和机械性能。TBI 的微阵列还证明了其炎症和矿化途径受 GF 组合影响，这也为进一步研究提供了新的治疗靶点。血小板衍生生长因子 BB ( PDGF-BB ) 已被证明可促进成纤维细胞的趋化、细胞增殖、细胞外基质生成、表面整合素表达和血管重建并已被提议作为一种关键的细胞因子在肌腱和韧带的修复中，Tokunaga 等将 PDGF-BB 浸渍的水凝胶片放置在横断并急性再附着的冈上肌腱的正侧面，从而产生了更多的细胞核抗原 ( PCNA ) 阳性细胞，并且术后实验表明肌腱拥有更好的胶原纤维走向以及更大的极限破坏载荷、硬度和破坏应力[18,46]。

3. 干细胞：干细胞应用于韧带和肌腱促使其愈合已经开展了大量的研究[47]。间充质干细胞 ( MSCs ) 已被报道通过加速基质合成、重新定植受损组织和调节免疫反应来改善肌腱的愈合过程[48]。研究还表明，合并 MSCs 的手术增强有助于降低再撕裂率[49]。大部分用于肩袖修复和再生的干细胞包括 BMSCs、脂肪来源的干细胞 ( ADSCs )、骨膜祖细胞 ( PPCs ) 等[50]。

张素珊等[51]将 BMSCs 加载到 GelMA 水凝胶上并放置于肩袖造模大鼠的冈上肌腱处。结果表明 GelMA 水凝胶为BMSCs 提供了合适的生长微环境，并且显示出良好的软骨再生能力，表现出较好的腱 - 骨愈合效果。而 Huang 等[34]研发了一种负载核生成素 ( KGN ) 的 GelMA 水凝胶支架，KGN 能促进 BMSCs 选择性分化为软骨细胞，通过紫外凝胶交联和真空冷冻干燥获得了负载 KGN 的凝胶支架并置于造模新西兰兔肩袖处。研究结果表明，负载 KGN 的 GelMA水凝胶支架通过促进纤维软骨形成和改善机械性能来促进肩袖愈合。Rothrauff 等[52]用 ADSCs 与 Fibrin 水凝胶或GelMA 混合置于大鼠肩袖损伤部位。结果表明用 Fibrin +ADSCs 和 GelMA + ADSCs 修复慢性撕裂的肱骨近端骨密度高于未修复组。Chen 等[53]开发了一种由 PPCs 和聚乙二醇二丙烯酸酯 ( PEGDA ) 制成的可注射水凝胶，并且在水凝胶中加入骨形态发生蛋白-2 ( BMP-2 )。最后表明注射PEGDA 组中 TBI 中形成的纤维软骨和骨组织增加，用免疫组化证明了蛋白聚糖和 Ⅱ 型 Collagen 的存在，生物力学测试显示所有时间点的最大受力负荷都较高。

4. 金属离子：金属离子在人体的正常过程中发挥着重要作用，不同的生物活性离子对组织再生具有联合或协同作用[54]。金属离子在 TBI 的作用也逐渐得到证实[55]。

铜离子 ( Cu2+) 已被证明能够显著促进成骨和血管生成[56]，而锌离子 ( Zn2+) 被证明具有抗菌作用[57]。Yang等[58]通过巯基与 Cu2+和 Zn2+的配位交联构建了基于梯度双金属离子的水凝胶。在这种双金属水凝胶体系中，Cu2+和 Zn2+不仅可以作为交联剂，还可以提供强大的抗菌作用并诱导体外再生能力。在大鼠肩袖模型中进一步验证了水凝胶同时促进肌腱生长和成骨的能力，Cu2+/ Zn2+梯度层可以在 TBI 处诱导大量胶原蛋白和纤维软骨排列和向内生长。

Mg2+可有效增强干细胞聚集并促进纤维软骨再生[59]。如上文所提到的 Chen 等[41]所研发的一种复合自愈水凝胶，可同时精确控制 Curcumin 和 Mg2+的递送，该研究是首次报道从递送系统中持续释放 Curcumin 和 Mg2+。

5. MMPs：在肩袖损伤的病理过程中，MMPs 表现出极高的活性。内源性 MMPs 的活性受到内源性组织抑制剂( TIMPs ) 的抑制。MMPs 与 TIMPs 之间的相对平衡在肌腱重塑中发挥着至关重要的作用。因此，MMPs 合成的增加以及由此导致的肌腱细胞外基质的改变与肩袖损伤的发病机制有关[1]。

为了实现 MMPs 的长期调节，Liang 等[60]开发了一种具有受控酶降解性的甲基丙烯酸化胶原蛋白-HA ( methacrylated collagen-HA ) 水凝胶，用于肩袖部位的 MMPs 调节，该水凝胶的 MMPs 调节能力可以独立于胶原网络交联密度的控制。这种新颖的策略为肩袖修复的水凝胶设计提供了新的见解。

三、小结与展望

肩袖损伤被认为是导致肩部残疾的最常见原因之一。大多数学者普遍认为肩袖损伤的病因与退行性病变和撞击学说相关[1]。随着各种临床研究、尸体研究和动物研究的深入，人们对肩袖生理学、生物力学以及病理改变理解得越来越透彻，为治疗肩袖损伤提供了更多选择。本综述介绍水凝胶的类型及其优缺点，并且列举了当前水凝胶及其负载因子在肩袖损伤中的应用，在前人研究的基础上对每种功能化的水凝胶进行描述。。

随着进一步的研究探索，新的负载物或者新的结合材料可能被进一步发现并付诸实践。Cai 等[61]将常规 ARCR缝合桥技术和常规 ARCR 缝合桥技术镜下添加 3D 胶原蛋白移植物的两组患者进行比较，结果发现用 3D 胶原蛋白移植物植入肩袖后，可显著改善临床症状并降低肩袖修复后的再撕裂率。有学者通过将石墨烯纳米片 ( GnPs ) 与纵向聚 ( L-乳酸 ) ( PLLA ) 纳米纤维结合开发出了一种导电基质，结果显示 GnPs 基质具有逆转冈上肌和冈下肌萎缩、脂肪积累和纤维化的潜力[62]。然而，目前还不清楚它是否可以与水凝胶结合使用。Wang 等[63]将人类脂肪干细胞衍生的外泌体 ( ASCs-Exos ) 注入大鼠大肩袖撕裂模型中进行治疗，研究表明 ASCs-Exos 可以有效减轻肩袖撕裂肌肉的萎缩和退化，改善肌肉再生和生物力学特性。Zhang等[64]的实验也证明 ASC-Exos 可以维持撕裂的人类肩袖肌腱的代谢稳态，改善其组织学特征，这可能通过增强AMPK 信号通路来抑制 Wnt / β-肌球蛋白活性来实现。在未来的研究中，需要继续探索能够巧妙结合不同组成物质的水凝胶。

综上所诉，目前各项研究表明其有着不容忽视的应用前景，但离临床广泛应用仍有一定距离。一方面，如何确保水凝胶能够在肩关节运动后固定黏附在目标区域。另一方面，ARCR 下使用水凝胶需要高超的手术技术，这限制了水凝胶的应用。水凝胶仍然有着巨大的发展潜力，未来将有更多功能的复合水凝胶用于帮助肩袖损伤的治疗，为此仍需要更多确凿的临床试验来筛选这些水凝胶的效果，为临床治疗提供更多确实有效的选择。