刺激响应型水凝胶在骨修复中的应用综述

高建朋，李 明，唐佩福 解放军总医院第一医学中心 骨科，北京 00853； 国家骨科与运动康复临床医学研究中心，北京 00853

衰老、疾病、创伤等因素引起的骨缺损对人体产生极大危害，因此需要有效的治疗方法实现骨组织的修复和再生。在过去的数十年中，骨移植是治疗骨缺损的金标准[1]。然而，由于骨移植材料来源匮乏、异体骨移植的供体骨组织不健全、感染与并发症风险等，骨移植的应用受到限制[2-3]。因此骨移植替代材料的研发受到学者们的关注。骨修复是由骨细胞、成骨细胞、破骨细胞[三种细胞组成的基础多细胞单元(basic multicellular units，BMUS)]作为一个有机整体共同参与的过程。BMUS作用于骨膜、骨小梁表面以及骨皮质，导致旧骨的吸收与新骨的生成。然而，BMUS的黏附、增殖与分化依赖于良好的细胞微环境，即细胞外基质(extracellular matrix，ECM)，因此模拟天然 ECM 是构造组织工程支架的关键[4]。其中水凝胶因为其良好的生物相容性、生物降解性、亲水性已被广泛应用于生物医学领域，为细胞的黏附、迁移和分化提供了可调的三维支架[5]。然而，传统水凝胶存在机械性能不足、降解速率与骨再生不匹配、材料植入方法单一等缺点。此外，在复杂骨缺损的治疗中，传统水凝胶无法精确填补不规则的缺损部位，这些不足严重限制了其在骨缺损修复中的应用。近年来，随着骨组织工程技术的迅速发展，“刺激响应型水凝胶”被引入骨修复领域，其能够感受温度、光照、pH和磁场等外界物理化学刺激，进而在三维形状、固液相态等性质上触发转变，产生可注射性、自愈合性、形状记忆等性能，使骨修复的治疗实现微创化，并且可以精准匹配复杂的骨缺损，这使其成为骨组织工程中新的支架材料[6]。本文就不同类型刺激响应型水凝胶在骨缺损修复中的研究进行综述，旨在为骨缺损修复提供新的思路与方法。

1 温度响应型水凝胶

温度响应型水凝胶简称温敏水凝胶，其利用从室温到体温的温度差产生物理和化学变化，从而进行状态的转变。温敏水凝胶通常同时具备亲水和疏水基团，具有温度响应的相转变性质，在某 一 临 界 溶 液 温 度(critical solution temperature，CST)时会与溶剂产生亲和力的变化，进行溶胀-收缩状态转变，即溶胶-凝胶状态转变，这一温度转变点称为最低临界溶解温度(lowest critical solution temperature，LCST)或最高临界溶解温度(utmost critical solution temperature，UCST)，若低于某一温度时发生溶胀，此温度称之为LCST，反之则为UCST[7]。

应用于骨修复的最常见的LCST型温敏水凝胶为聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)及其衍生物，作为温敏纳米凝胶的原料，通过在NIPAAm中加入亲水性更强的丙烯酰胺(AAm)，使纳米凝胶的LCST从32℃上升至37℃，更加接近于人体体温。Yoshimatsu等[8]合成了聚(NIPAAm-co-AAm)共聚物，并通过自由基聚合法制备了其纳米凝胶。纳米凝胶的直径为50～450 nm，体积相变温度为37℃～43℃。研究人员在动物体内，结合近红外荧光团进行热靶向试验，结果表明通过控制纳米凝胶的LCST和组织加热过程可在特定的位置进行凝胶的输送。并且还可以将抗肿瘤药物负载到温度响应型纳米凝胶上。在因肿瘤导致的骨缺损中，这种纳米凝胶可以靶向治疗癌症及其导致的骨缺损。聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)和聚己内酯(polycaprolactone，PCL)的共聚物也是较为常见的LCST型水凝胶。Ni等[9]研究了一种可注射的、作为骨组织工程热诱导材料的PEG-PCL-PEG水凝胶，在37℃以上时PEG-PCLPEG水溶液从溶胶转变为凝胶且降至10℃时可逆性恢复。这种水凝胶在治疗骨组织缺损时具有微创、高精准匹配度等优点。Fu等[10]将胶原和羟基磷灰石结合于PEG-PCL-PEG共聚体中制成水凝胶，其生物相容性和仿生微结构的增强使其在骨缺损治疗中具有优异的性能。

常见的UCST型温敏材料为聚丙烯酸[11]、明胶[12]等。但其在骨修复中的应用较少，可能与其UCST较高有关，较高的溶胶状态温度容易对机体造成损害，不利于材料的植入与骨的形成。

2 pH响应型水凝胶

pH响应型水凝胶是由聚合物主链和离子侧基组成的对酸碱度敏感的水凝胶，通过吸收或释放质子响应周围酸碱度的变化，从而进行溶胀与收缩的转换[13]。随着周围环境的pH值到达pKa或pKb，对酸碱度敏感的水凝胶中的离子强度会发生显著变化，离子基团中产生强烈的静电排斥力，导致体积的骤变。根据带电基团的电荷性质，将pH响应型水凝胶分为两类，阴离子水凝胶和阳离子水凝胶。阴离子水凝胶携带负电荷基团，包括羧酸、磺酸等[14]。在高酸碱度环境下(pH＞pKa)，排斥带电基团导致水凝胶发生溶胀[15]。同理，在低酸碱度环境下(pH＞pKb)，带有氨基等正电荷基团的阳离子水凝胶发生改变[16]。同时有学者指出，为了更好地模拟天然的细胞外基质，应该使用弱聚合电解质来合成对酸碱度敏感的水凝胶。弱聚合电解质中的离子强度可以通过改变溶液的酸碱度来平滑地调节，以达到所需的机械性能[17]。

最常见的pH响应型水凝胶是通过三嵌段拓扑结构的共聚，在其疏水末端引入弱电解质，从而形成的硬度可调性良好、pH高度可控的水凝胶[18-19]。Yoshikawa等[20]利用pH敏感的PDPA和PMPC合成了三嵌段共聚物。只需在一个狭窄的生理相关范围内调节溶液pH，就能生产出杨氏模数为1.4～40 kPa的高度可调的水凝胶。这种水凝胶即使在复杂的应力情况下，仍可很好地进行自然环境的模拟，在处理不同骨缺损导致的复杂应力时有着广泛的应用。Lundberg等[21]通过合成的硫醇功能化组胺对三嵌段共聚物进行官能化，获得了机械性能高度依赖于pH的水凝胶。在pH 5.0～8.0的范围内，水凝胶的硬度提高了5倍，并且在不同细胞系的体外实验中证实了水凝胶的生物相容性，大大提高了水凝胶支架的力学性能，在大段骨缺损修复中有很大的应用前景。

3 光响应型水凝胶

光作为一种远程刺激，可以在空间和时间上呈现精确的控制[22]。光响应型水凝胶通常包括聚合物网络和光反应部分[23]，其可以根据不同的光反应分为两类：光致变色基团，如邻硝基苄基，其作为功能部分与水凝胶共价结合[24]；可溶性光引发剂，如Irgacure 2959[25]、苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸锂[26]和曙红Y[27]，其不是通过共价连接的，而是悬浮在水凝胶形成的网络中[28]。

对于第一类水凝胶，光信号先被光致变色分子捕捉，然后通过生色团转换为化学信号[29]。这类水凝胶可以通过改变光响应水凝胶的基质实现对材料力学的操纵[30-31]，如可以通过将线性官能化聚丙烯酰胺(polyacrylamide，PA)与光敏剂交联，制备可调节硬度的水凝胶[32]。Lee等[33]制备的光诱导AZO-PA水凝胶，其硬度随着可见光波长的改变而改变，其降解速率也与骨生成时间相匹配，并且通过间充质干细胞验证了其生物相容性，这种硬度可调的水凝胶支架有望在不同位置的骨缺损中发挥重要作用。对于第二类水凝胶，光引发剂在光照下会分解成自由基，从而促进聚合反应[26]。如Khetan等[25]报道了一种逐步制备甲基丙烯酸透明质酸水凝胶的方法，通过将二硫苏糖醇引入甲基丙烯酸透明质酸溶液中来实现水凝胶的初始凝胶化。当初始化水凝胶被光引发剂Irgacure 2959溶胀时，水凝胶可能会通过剩余甲基丙烯酸酯基团的自由基聚合而迅速变硬。因此，这两种类型的光反应水凝胶都可以调节水凝胶的物理或化学性质。光反应部分对特定的波长很敏感，这可以加强对光响应性水凝胶的控制[34]。

4 氧化还原响应型水凝胶

氧化还原响应型水凝胶是一种能够对其组成分子的还原和氧化做出反应的材料。氧化还原响应型水凝胶通过在聚合物主干内的部分亚基发生氧化还原反应，使相反离子涌入以平衡新形成的电荷，最终导致材料的膨胀反应[35]。

不同的金属离子赋予材料不同的氧化还原响应性，从而使其拥有不同的力学性能。如锌和铜双离子诱导的水凝胶可将硬度调节至0.179～9.53 MPa，从而促进人骨髓间充质干细胞分化[36]。钙离子可以将水凝胶的力学性能从0.7 MPa提高至1.7 MPa，并且在保证其生物相容性的基础上赋予水凝胶形状记忆功能[37]。铁离子被认为是生物医学应用中一种很有前途的交联剂，通过三价铁离子和二价铁离子两种氧化态之间转换，可以使水凝胶具有氧化还原响应性和可调的力学性能。这弥补了单纯水凝加支架机械性能的不足。Papanikolaou和Pantopoulos[38]设计了一种新型的氧化还原水凝胶，它可以通过氧化还原反应，完成二价铁离子与三价铁离子之间的切换，从而在软态(0.06 MPa)和硬态(2.1 MPa)之间进行可逆循环。大量学者研究了金属离子与材料机械性能之间的关系，他们也证实了氧化还原反应对于水凝胶硬度的调节可以促进骨再生。然而关于金属离子与生物矿化之间的关系还需进一步研究，这或许会成为将来研究的热点问题。

5 磁响应型水凝胶

磁响应型水凝胶通常由基质水凝胶和加入到基质中的磁性成分制成，因其对于外部磁场的磁性反应和其特殊功能结构，可远程调节细胞、组织或器官周围环境的物理、生化和机械性质[39]。磁性水凝胶的特性取决于磁性颗粒和水凝胶的组成、磁性颗粒和水凝胶的浓度以及磁性颗粒在水凝胶中的大小和均匀性。

目前已有的研究主要集中于含磁性纳米颗粒的水凝胶在骨修复中的应用。羟基磷灰石(hydroxyapatite，HAP)是天然骨无机物质中最重要的成分之一，其具有良好的生物相容性和骨传导性，且在生物矿化中起着关键作用，因此HAP广泛用作磁性复合水凝胶的基质[40-41]。Iqbal等[42]合成了纳米羟基磷灰石包覆的γ-Fe2O3纳米粒子(mnHAP)，然后将其加入聚乙烯醇(polyvinylalcohol，PVA)溶液中，制备了m-nHAP/PVA水凝胶。PVA表现出极好的生物相容性、较高的机械性能和缓慢的生物降解性，这对其在骨修复中的应用至关重要。随着m-nHAP含量的增加，水凝胶内部的孔径逐渐增大，这有利于养分的交换并且使成骨细胞的黏附和增殖显著增加[43]。

6 其他响应型(葡萄糖、酶、离子等)水凝胶

葡萄糖响应型水凝胶可随着环境葡萄糖浓度的改变而改变自身溶胀行为，较常见的葡萄糖响应型水凝胶为伴刀豆球蛋白A(concanavalin A，Con A)水凝胶和葡萄糖氧化酶水凝胶。1978年Yatvin等[44]通过Con A制造了首个葡萄糖响应胰岛素递送系统，葡萄糖能够使Con A-聚合物复合物解离进而释放胰岛素。另一种则是利用葡萄糖氧化酶反应对高浓度血糖区域进行识别，从而促进胰岛素的释放[45]。

由于酶在机体活动中发挥着重要的作用，因此有学者研究了对酶异常做出响应的水凝胶，如存在血凝块时，凝血酶将水凝胶聚合物中的肽降解，从而释放出由其包裹的肝素，实现抗凝作用，释放出的肝素又可以抑制凝血酶的活性，进行实现对自身释放的调节[46]。

体液中不同的离子强度也可以成为一个靶向目标，越来越多的学者对此进行了研究[47]。然而除了单纯对离子强度敏感外，复合材料水凝胶也可以实现对特定的离子类型做出响应，有学者指出基于β-环式糊精和疏水2,2-联吡啶的离子响应型水凝胶，可以通过其金属配体与宿主基团的反应变化导致其化学选择黏附性能发生改变[48]。

另外还有许多对其他刺激响应的水凝胶，如ATP、电、水、核酸等[49]，这些刺激反应性水凝胶更多应用于药物输送与疾病监控，在骨组织工程中的应用相对较少，开发更多应用于骨组织的刺激响应型水凝胶是当务之急。

7 结语

过去10年间生物响应材料得到了迅速的发展，上述几种刺激响应型水凝胶是制备组织工程支架的典型代表材料。刺激响应型水凝胶不仅具有传统水凝胶的高度亲水性、良好的生物相容性等优点，同时又有可调控的刺激响应性，这使其广泛应用于骨组织工程中。然而，虽然已经有很多学者肯定了通过生物响应型水凝胶进行骨修复的疗效，但其对大段骨缺损的治疗效果尚未达到预期，这可能是因为在微创治疗骨缺损的同时，材料的机械强度与降解速率很难与骨再生的速度达到完美匹配。因此，刺激响应型3D水凝胶在具有生物相容性、骨传导性、骨诱导性、成骨作用的同时，应具备与其降解速率相匹配的力学性能，以满足大段骨缺损修复的复杂要求。另一个比较大的挑战是生物材料与体内局部微环境的结合程度。生物材料植入后，微环境的改变对骨形成有很大的影响，因此实时监测材料在体内产生的变化至关重要。相信随着骨组织工程的不断进步，刺激响应型水凝胶会快速发展，从而为骨缺损的临床治疗提供更多的方案。