不同水凝胶支架材料用于软骨损伤修复研究进展

陈有荣 颜昕 叶景 原福贞 官剑 宋士堂 王星 余家阔

1 北京大学第三医院运动医学科，北京大学运动医学研究所，运动医学关节伤病北京市重点实验室（北京100191）

2 中国科学院化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室（北京100190）

3 中国科学院大学（北京100049）

运动相关外伤或退行性变均可导致软骨损伤，由于软骨无血管、无神经、无淋巴管、低代谢率、非动态性和低细胞密度的特性，软骨损伤发生后难以自我修复。目前，临床治疗方法主要包括关节镜清理、软骨磨削成形、骨髓刺激技术、自体或同种异体骨软骨移植、自体软骨细胞移植、金属或硅橡胶移植局部替代等，但以上治疗方法存在不能逆转软骨退变、纤维软骨再生、供区并发症、免疫排斥、假体松动、关节感染等缺点，使软骨修复不能达到满意的治疗效果[1]。组织工程技术为软骨损伤提供了一种很有希望的治疗策略。水凝胶作为一种典型的生物材料，具有类似于人体软组织结构、高含水量和良好生物相容性等特征，可为组织再生提供富含水的三维聚合物网络，用于输送种子细胞、生长因子、营养物质和代谢废物。同时，还可以根据特殊需要，使用物理或化学交联方法、聚合物种类、不同分子的掺入，调节水凝胶的溶胀率、降解率、孔隙率、生物相容性、力学强度等性能进行定制。近些年来，水凝胶被广泛作为细胞/生长因子载体的组织工程支架用来促进软骨修复再生或用作永久性的植入物来代替受损的软骨，具有修复大面积组织缺损、避免供体并发症和两期侵袭性手术的独特优势，并显示出较好的软骨修复效果[2]。根据水凝胶组成的来源，水凝胶可分为天然聚合物、合成聚合物和混合聚合物。本文主要就近些年来用于软骨病损修复中常用的水凝胶种类、软骨再生情况及各自优缺点等进行综述，并对水凝胶的临床应用现状及后续研究方向进行分析探讨。

1 天然聚合物水凝胶用于软骨损伤修复研究进展

动物和植物是天然聚合物水凝胶的主要来源，主要有琼脂糖、透明质酸（hyaluronic acid，HA）、明胶、胶原蛋白、壳聚糖（chitosan，CHI）、藻酸盐、丝素、纤维蛋白等。这些聚合物具有与软骨相似的生化特性，已被证实可在体外提供适宜的微环境来维持软骨细胞的表型，在缓慢降解的同时，持续支持软骨再生[3]。

1.1 琼脂糖

琼脂糖是一种多糖，呈白色粉末状，通常从海藻中分离获得，含有1，4连结的3，6-内醚-L-半乳糖和1，3连结的β-D-半乳糖的交替重复单位。琼脂糖具有加热后溶解性增加、与冷介质混合后形成凝胶、能有效包封细胞等优良性能，其功能特性与天然关节软骨非常相似[4]。在一项研究中，将载有骨髓间充质干细胞（bone marrow derived mesenchemal stem cells，BMMSCs）或软骨细胞的琼脂糖水凝胶植入骨软骨缺损中，结果显示修复组织中含有较多的蛋白多糖和胶原[5]。然而，琼脂糖在植入后可能会触发免疫反应，由于缺乏合适的酶降解体系，在体内不能生物降解。同时，琼脂糖凝胶的组成、力学性能和结构很难定制，这阻碍了其作为组织工程软骨支架的广泛应用[6]。

1.2 胶原蛋白

胶原蛋白是一种常见的天然聚合物，广泛存在于皮肤、骨骼、软骨、血管、椎间盘、韧带和肌腱等组织中，是细胞外基质（extracellular matrix，ECM）的重要组成部分。胶原蛋白具有低免疫原性、生物可降解性、生物相容性和细胞黏附性等突出的生物学特性，被广泛应用于软骨再生。在含有Ⅰ型和Ⅱ型胶原的混合水凝胶中，软骨细胞保持良好的细胞形态，并分泌软骨特异性ECM，通过调节Ⅰ型胶原的含量可使水凝胶的力学性能和结构达到最优[7]。然而，机械强度弱、降解速度快是胶原蛋白的主要缺点。核黄素是一种生物相容性维生素B2，常作为无毒的交联剂使用，通过紫外照射可明显改善胶原蛋白水凝胶的力学性能、延长酶促降解时间。使用核黄素作为交联剂，经光诱导获得交联的胶原水凝胶，包裹成纤维软骨细胞并经一定时间的体外培养，Ⅱ型胶原和蛋白聚糖基因表达水平明显升高[8]。在另一项研究中，胶原自组装、硫酸软骨素和HA 交联制备的复合水凝胶模拟了天然软骨的组成和功能，体内实验进一步证明成功实现了软骨的修复[9]。

1.3 透明质酸

HA是由N-乙酰葡萄糖胺和D-葡萄糖醛酸组成的二糖单元。它广泛分布于人体，包括皮肤、晶状体和软骨的ECM 中。作为ECM 的主要成分之一，HA 在细胞信号转导、伤口愈合、关节运动和其他生理过程中起着重要作用。因此，HA水凝胶可直接作为软骨组织工程的支架材料[10]。HA 通过减轻炎症和抑制分解代谢酶来保护软骨细胞和ECM，同时通过刺激干细胞增殖和分化、上调基质蛋白的合成促进软骨再生，维持软骨内环境稳定。硫酸化的HA 在体内外均表现出明显的降解速率变缓、促进软骨形成，并抑制被包裹的MSCs 肥大老化，同时还可以避免动物骨关节炎（osteoarthritis，OA）的软骨磨损和肥大[11]。一种含有小分子药物软骨生成素（kartogenin，KGN）的可注射甲基丙烯酸酐（methacrylic anhydride，MA）修饰的HA水凝胶被证明具有良好的原位成胶及软骨缺损修复能力[12]。目前，基于HA 的医用水凝胶已经商品化，注射用Sinovial®（其他商品名:Yaral®，Intragel®）的有效活性成分为低分子量HA，是OA患者缓解疼痛、改善关节功能的增粘剂[13]。然而，HA也有一些局限性，例如力学强度低，同时由于基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）的降解作用，HA的使用寿命短。

1.4 明胶

明胶源于动物胶原蛋白，通过胶原的三螺旋结构解体而成，是结缔组织的主要成分。明胶凝胶在30 ℃～40 ℃的水溶液中发生热可逆变化，是制造软骨组织工程支架的理想材料。为提高水凝胶的抗压强度，研究者引入微纤化纤维素和高碘酸盐制备了明胶水凝胶，复合水凝胶的杨氏模量可达1.6 MPa以上，是纯明胶的41 倍，该复合支架还表现出良好的抗溶胀能力，能够在缓冲液中保持其形状[14]。将己二酸二酰肼（adipic acid dihydrazide，ADH）接枝到硫酸软骨素（chondroitin sulfate，CS）和明胶上，分别得到CS-ADH和明胶-ADH。经1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺盐酸盐[1-（3-dimethylaminopropyl）-3-ethylcar⁃bodiimide hydrochloride，EDC]介导的后续反应，获得了具有良好生物相容性的原位明胶-CS 水凝胶，研究者认为该水凝胶具有应用于软骨组织工程中的潜力[15]。明胶微球作为一种不同于明胶水凝胶的形态，可以负载生长因子并嵌入大孔水凝胶中，明胶在体内生物降解时生长因子的缓慢释放为MSCs 的成软骨分化提供了良好的微环境[16]。

1.5 蚕丝

蚕丝是由丝心蛋白和丝胶蛋白组成的天然纤维。丝心蛋白具有力学性能佳、降解速度慢、生物相容性好等特点，在生物医学领域具有广阔的应用前景，通过添加酸、离子和其他添加剂，可以使丝素溶液凝胶化获得丝素水凝胶。丝素水凝胶可提供独特的亲水中性微环境，与明胶等生物聚合物共混，能改善生化和力学性能，支持软骨细胞的附着、增殖和维持软骨细胞的球形形态，增加软骨细胞的软骨表型表达[17]。Li等开发了一种丝素蛋白和羧甲基壳聚糖的复合水凝胶，其具有良好的生物相容性、可调的生物力学性能和降解速度，能有效促进兔软骨细胞的黏附、增殖及糖胺聚糖的合成[18]。通过在丝素蛋白水凝胶中加入富血小板血浆（platelet-rich plasma，PRP）可获得一种缓释生长因子，适用于3D 打印的生物墨水，由此制得的水凝胶支架能最大程度地增加胶原和糖胺聚糖的分泌，是软骨组织工程潜在的候选材料[19]。

1.6 纤维蛋白

目前，商品化的纤维蛋白由凝血酶和纤维蛋白原组成，凝血酶和纤维蛋白原从含有少量纤维结合蛋白和其他生物分子的血浆中冷沉淀而来，为降低免疫反应的风险，通常从自体血液中提取[20]。将去分化的软骨细胞与含有转化生子因子-β3（transforming growth factor-β3，TGF-β3）的纤维蛋白水凝胶复合后体外培养，能明显促进软骨细胞再分化及软骨组织形成，体内植入6周后提示透明软骨成分再生[21]。Almeida等开发了一种含有软骨ECM微粒、TGF-β3和MSCs的可注射纤维蛋白水凝胶，体外结果表明其糖胺聚糖和胶原蛋白分泌量明显高于明胶微粒组，在体内形成的组织与透明软骨也更为相似[22]。纤维蛋白凝胶亦被用作OA患者自体软骨细胞移植的三维载体支架，并发现高细胞密度组更能促进蛋白聚糖和胶原蛋白基因的表达及高质量软骨样组织的再生，但纤维蛋白凝胶的力学性能较差是其弱点[23]。

1.7 海藻酸钠

海藻酸钠（藻酸盐）是从褐藻类的海带或马尾藻中提取一种天然多糖，由β-D-甘露糖醛酸（β-D-mannu⁃ronic，M）和α-L-古洛糖醛酸（α-L-guluronic，G）按（1→4）键连接而成，能与Ca2+、Mg2+、Zn2+、Ba2+等二价阳离子有效络合，在水介质中形成可逆的水凝胶。与其他蛋白质或天然高分子材料相比，海藻酸盐具有成本低、对细胞无毒、易于制备微球或三维多孔支架等优点，同时藻酸盐水凝胶还具有维持ECM 合成和软骨细胞表型的能力，因此被广泛作为软骨组织工程的基质材料[24]。除常规的海藻酸盐外，氧化海藻酸盐基水凝胶也常用于软骨修复，虽然弹性模量低于正常海藻酸盐基水凝胶，但氧化海藻酸盐水凝胶具有更好的软骨修复能力[25]。藻酸盐基质材料也被应用于体内软骨修复。Cartipatch（法国，里昂，法国组织库）是一种海藻酸-琼脂糖混合水凝胶，它与自体软骨细胞复合后植入体内用于修复软骨缺损，结果显示，13例患者中的8例在术后24 个月的活组织检查中出现了新的透明软骨[26]。但另一项多中心随机对照研究发现，术后2年随访时，Cartipatch 组的股骨局灶性骨软骨缺损修复效果明显差于自体骨软骨移植组[27]。

1.8 壳聚糖（chitosan，CHI）

CHI，也被称为β-（1，4）-2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖，是甲壳素N-脱乙酰基的产物。CHI广泛存在于自然界，作为结缔组织的主要成分，具有络合、抑菌、吸收、抗炎、抗氧化等特性，由于CHI及其衍生物的独特性质，CHI 及其衍生物在基因治疗、创面修复、组织工程等方面具有广泛的生物医学应用前景，被认为是潜在的软骨修复材料[28]。以四乙氧基硅烷为交联剂，制备含CHI 和聚乙烯醇[Poly（vinyl alcohol），PVA]的复合支架材料，通过改变CHI与PVA的摩尔比，可以调节支架的理化性质，特别是拉伸强度和断裂应变，从而对软骨细胞的增殖产生不同的影响[29]。为了克服不溶于水的限制，研究者制备了结构更为致密的水溶性N-琥珀酰壳聚糖-双醛淀粉复合水凝胶，用于修复软骨缺损[30]。一种基于壳聚糖和磷酸甘油的原位凝胶与血液的混合物（BST-CarGel，Biosyntech，Quebec，Canada）被用于修复大面积踝关节骨软骨损伤，术后平均随访2年，踝关节预后评分有显著改善[31]。

1.9 硫酸软骨素（chondroitin sulfate，CS）

CS是结缔组织、骨骼、韧带、肌腱和软骨ECM中的一种结构成分，由D-葡萄糖醛酸和N-乙酰-D-半乳糖胺的不同硫酸化残基通过β键连接的交替序列组成，通常从动物组织中提取获得，呈白色粉末状。CS作为一种天然聚合物，具有抗炎活性，能有效促进蛋白多糖和透明质酸的合成、降低软骨细胞的分解代谢活性、增强软骨细胞的特异性基因表达、抑制蛋白水解酶的合成，通过单独或联合应用葡萄糖胺能明显减轻OA 症状[32]。目前，由其制备的水凝胶被广泛应用于构建组织工程软骨。将低分子量肝素（low-molecular-weight heparin，LMWH）加入羧甲基壳聚糖（carboxymethyl chitosan，CMC）-氧化硫酸软骨素（oxidized chondroi⁃tin sulfate，OCS）（CMC-OCS）水凝胶中，负载TGF-β3作为PB-MSCs的基质，构建组织工程软骨，体外培养2周后，软骨特异性基因及蛋白的表达和分泌明显增加[33]。Chen等在生理条件下使用辣根过氧化物酶和过氧化氢，成功开发了一种由羧甲基普鲁兰-酪胺（carboxy⁃methyl pullulan-tyramine，CMP-TA）和硫酸软骨素-酪胺（chondroitin sulfate-tyramine，CS-TA）结合的可注射可降解水凝胶体系，用于软骨组织工程。该水凝胶与猪耳软骨细胞复合能明显促进细胞增殖及软骨ECM沉积；将其置入小鼠皮下，组织学分析表明，水凝胶具有良好的组织相容性，并认为该CMP-TA/CS-TA 复合水凝胶有望成为软骨再生的良好生物材料支架[34]。

2 合成聚合物水凝胶用于软骨损伤修复研究进展

由天然高分子材料制备的水凝胶力学性能通常较差，限制了其作为承重支架材料的应用。同时，使用动物源性材料可能造成疾病传播。与天然聚合物相比，合成聚合物在结构、力学性能以及组成方面具有良好的可控性，可以针对特定的应用进行定制，其化学性质也更容易修改。此外，合成聚合物可以大批量生产，并提供比天然聚合物更多的可再生结果[35]。目前，大量的合成聚合物被广泛应用于软骨再生，主要包括聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇[Poly（ethylene glycol），PEG]和低聚乙二醇富马酸酯水凝胶{oligo [poly（ethylene gly⁃col）fumarate]，OPF}，均含有大量的羟基，在凝胶化过程中可以通过物理、离子或共价等方式进行交联[36-38]。

2.1 聚乙烯醇（PVA）

PVA水凝胶具有许多优异的性能，包括力学性能、流体流动性能和摩擦性能。研究人员使用PVA作为软骨替代物，发现PVA 水凝胶在力学和结构上与软骨有相似之处，包括拉伸、剪切和压缩模量以及渗透系数均与关节软骨相似，PVA水凝胶也是研究关节软骨肿胀、摩擦和润滑特性的良好模型系统。它们的润滑和摩擦行为也接近于关节软骨，在摩擦系数相近的情况下，根据高载荷下的边界润滑模型和低载荷下的挤压润滑模型，将流体引导到接触区[36]。弹性模量为1～5 MPa 的改性/未改性PVA水凝胶可被用于修复软骨组织，由于PVA 不能生物降解，因此只能作为永久性软骨替代物使用[39]。与其他水凝胶相比，尽管PVA 水凝胶的力学性能更接近于关节软骨，但由于PVA 与周围软骨组织的整合能力欠佳，其作为软骨替代品的应用也受到限制。有研究指出，PVA 水凝胶经CS 修饰后，具有可控的溶胀性，提高了水凝胶与软骨的生化相似性，且容易被软骨素酶降解[40]。

2.2 聚乙二醇（PEG）

PEG又称聚环氧乙烷，易于修饰改性，被广泛作为生物材料用于软骨修复再生。多种种子细胞，如MSCs、胚胎干细胞和软骨细胞，包裹在PEG水凝胶中，可通过生长因子诱导促进软骨形成[37，41]。Fu等证明聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯（PCL-PEG-PCL）膜能增强细胞的黏附和增殖能力，促进软骨缺损修复[42]。为了改善水凝胶的仿生特性，对PEG 大分子单体进行改性，与纯CS水凝胶相比，添加CS的PEG水凝胶能增加水凝胶的力学强度，促进其包裹的MSCs向软骨细胞进行分化，增加ECM 沉积[41]。聚乙二醇二丙烯酸酯（PEG diacrylate，PEGDA）水凝胶已广泛用于软骨再生研究，一种基于PEGDA 纤维蛋白原的复合水凝胶（商业上称为GelrinC）已被证明支持MSCs 的软骨生成，同时能最大限度地减少细胞肥大，这表明通过设计复合水凝胶可提高软骨再生的能力[43]。

2.3 低聚乙二醇富马酸酯（OPF）

OPF 水凝胶是由富马酸修饰PEG 大环形成的，具有可注射和光交联特性，其压缩模量可达到关节软骨的大小。在家兔骨软骨缺损模型中，无细胞的OPF 水凝胶促进宿主MSCs 的迁移并诱导其向软骨分化[38]。此外，这些水凝胶还能提高MSCs形成再生软骨的质量[44]。OPF 水凝胶也被用于研究各种生长因子体外和体内释放对软骨再生的影响[45]。

3 混合水凝胶用于软骨损伤修复研究进展

天然生物大分子及其衍生物具有良好的生物相容性和生物可降解性，但由其制备的水凝胶力学强度往往较弱。而合成聚合物水凝胶可以精确调控其结构及力学性能。混合水凝胶可以将天然和合成聚合物等不同类型水凝胶的优点结合起来，并将它们的缺点最小化，从而制备适合用于软骨修复的生物水凝胶。Peng等通过调节PVA 和壳聚糖（CHI）的比例设计了一种力学性能佳、理化性能稳定、且具有良好孔隙率和含水量的新型PVA/CHI多孔水凝胶，将其与BM-MSCs复合能明显促进骨软骨缺损的修复[46]。Su等采用定向冻融和电泳相结合的方法制备了具有各向异性和梯度力学性能的双层PVA/羟基磷灰石复合水凝胶。PVA/羟基磷灰石复合水凝胶的排列孔结构类似于天然关节软骨的各向异性结构。在两层的界面处未观察到明显的内应力或缺陷。这种双层水凝胶的梯度力学强度和双细胞粘附特性使其有可能同时用于修复关节软骨和软骨下骨[47]。Sargeant 等开发了一种由胶原蛋白和多臂PEG组成的可注射混合水凝胶体系。其中的胶原蛋白成分有利于细胞黏附，并能被酶降解；而多臂PEG成分具有胺化学反应和可降解性能，同时还可结合蛋白质/组织。该水凝胶表现出可调的力学性能、可变的溶胀度和合适的降解率，能作为可注射组织支架用于治疗各种简单和复杂的组织缺损。氨基葡萄糖（Glucos⁃amine，GA）作为糖胺聚糖生物合成的重要软骨基质前体，对软骨再生具有积极作用[48]。Yao 等合成了GA 改性的PEG 水凝胶，并将BM-MSCs 包埋于该水凝胶中，在三维培养条件下GA 修饰的PEG 水凝胶促进了BMMSCs向软骨细胞分化及软骨形成，且随着氨基葡萄糖的增加，改性水凝胶在蛋白水平下调了软骨纤维化和肥大标志物的表达。因此，这可能是一种利用组织工程学方法进行软骨修复的新方法[49]。Guo 等制备了含有明胶微粒的OPF混合水凝胶，将其与BM-MSCs复合后置入骨软骨缺损，12周后水凝胶部分降解，缺损区被新生组织填充，新形成的软骨组织呈透明状，且无持续炎性症状[50]。

4 水凝胶支架的先进制备方法

4.1 微流控加工方法

微流控生物加工方法被广泛用于制备具有梯度结构的水凝胶支架。在光交联之前，前体溶液先由被动泵引导向前流动，然后通过蒸发引导向后流动，从而形成基于材料/种子细胞/生长因子的梯度水凝胶支架，这种梯度支架可能有利于恢复骨软骨和软骨组织的复杂结构和生物功能。该方法简单而常用，可较为容易地制造出简单几何结构和小尺寸的水凝胶组织工程支架，但在制备具有复杂三维解剖结构的支架时仍有一定的难度[51]。

4.2 3D模铸成型

Mesallati 等对股骨髁和（或）胫骨平台进行三维医学成像、建模、逆向模具设计、制造，获得模具，然后将海藻酸水凝胶前体溶液与软骨细胞、MSCs混合后注入预先制备的模具中，待充分成胶获得了具有膝关节复杂解剖形状的组织工程骨软骨水凝胶支架，将其植入体内8 周，在其表面及底部分别再生出软骨和骨组织。同时，对于制备单纯的水凝胶支架，还可在水凝胶中混入水溶性或脂溶性致孔剂，待成胶后经三蒸水或有机溶剂洗涤予以去除，从而获得多孔支架[52]。然而，该模铸成型方法并不适用于制造具有梯度结构的水凝胶支架。

4.3 3D生物打印技术

3D生物打印是一种很有前景的先进制造技术，通过生物墨水的多层沉积过程，可制备具有复杂形状和梯度结构的支架，同时还可将种子细胞包裹于生物墨水中一并进行打印，获得载细胞组织工程产品。Hong等首先开发了由丝素蛋白和甲基丙烯酸缩水甘油酯（glycidyl-methacrylate，GMA）组成，具有生物相容性、生物降解性和可打印性的生物墨水，然后利用数字光处理打印机进行3D 打印，得到具有均匀孔隙的Silk-GMA水凝胶支架，该支架可支持干细胞的增殖、成软骨分化及软骨样组织的沉积[53]。

4.4 水凝胶支架的3D组装技术

单块体积较大的含细胞水凝胶存在细胞间相互作用不足、分化效率低、组织粘附性差等缺点，阻碍了高质量透明软骨的形成。Li 等使用可注射的含BMMSCs微凝胶作为组装单元，通过N-羟基琥珀酰亚胺-胺偶联反应使微凝胶进行3D 组装，形成水凝胶支架。研究者认为，该组装过程保持了包封的干细胞的活力和功能，有利于微凝胶与周围组织的快速结合，为软骨形成提供了一个物理稳定和生物活性的微环境。研究结果显示，与大块水凝胶相比，3D 组装微凝胶有更佳的软骨ECM分布和更高的Ⅱ型胶原含量[54]。

5 临床应用现状

目前，用于临床软骨修复的商品化水凝胶结构均相对简单，大多数作为细胞载体或人工假体，主要有纤维蛋白、HA、胶原蛋白、PVA 等。Koh 等将脂肪干细胞（adipose-derived stem cells，ADSCs）与纤维蛋白胶混合，联合微骨折法治疗股骨髁部软骨缺损，术后随访2年，明显改善了KOOS 疼痛及症状评分，且软骨再生质量优于单独使用微骨折组[55]。Park 等将同种异体人脐血 源 性MSCs（umbilical cord blood-derived MSCs，hUCB-MSCs）与透明质酸（HA）混合后用于治疗骨关节炎4 度软骨缺损患者，12 周后关节镜评估软骨修复情况，观察到成熟的透明软骨样再生组织，术后3年MRI提示再生软骨持续存在[56]。一项多中心随机对照实验比较了关节内分别注射超高分子量HA或中分子量HA用于治疗髋关节OA的效果，结果表明单剂量超高分子量HA的疗效与双剂量中分子量HA相似，均可明显降低疼痛及减少残疾[57]。Sharafat-Vaziri 等将胶原/丝素蛋白支架与自体软骨细胞复合，用于修复2 例软骨缺损患者，术后1年时膝关节IKDC评分明显提高，MRI显示移植物与周围组织整合完好，缺损局部无渗出、水肿，软骨形成信号减少，同时也证实了该组织工程修复软骨缺损的可行性[58]。另一项研究则比较了由PVA材料制得的水凝胶植入物（CartivaTM）和自体软骨移植治疗膝关节局灶性软骨缺损的效果，随访2年，结果提示两种技术均显示出满意的疗效，水凝胶植入物安全有效、稳定性良好[59]。

6 总结与展望

本文主要就近些年来常用于软骨病损修复的天然水凝胶、合成水凝胶及混合水凝胶的特点、软骨再生情况、各自优缺点以及水凝胶支架的先进制备方法、临床应用现状等方面的情况进行了综述。水凝胶作为细胞/生长因子和其他调控物质的载体被用作组织工程支架或用作永久性的植入物来代替受损的软骨，在大量体内外实验中显示出较好的软骨修复效果。天然生物大分子及其衍生物制备的水凝胶具有良好的生物相容性、生物降解性和较低的成本，但力学强度往往较弱，限制了其作为承重支架材料的应用。合成聚合物水凝胶可以精确调控其结构、力学性能以及组成，但细胞亲和性及生物降解性通常较差。通过将天然和合成聚合物两种不同类型水凝胶的优点结合起来，所制备的混合水凝胶可以使它们的缺点最小化。

尽管目前报道的多种水凝胶具有良好的软骨修复效果、多种先进方法被用于制备水凝胶支架，但商品化、用于软骨修复的水凝胶种类仍然较少，且结构均相对简单，对于结构复杂的水凝胶，其临床转化还存在一些障碍。这是由于利用先进的生物制造技术制备复合水凝胶通常需要特殊的配方和设备，其制备时间相对较长，成本远高于简单结构水凝胶产品；同时，水凝胶中不同组分、不同形态结构和理化性能对于软骨修复的影响并不明确，相关混杂因素较多，这无疑加大了复杂结构水凝胶进行临床转化的难度。我们认为，一种理想的水凝胶组织工程软骨产品应具备以下特点：（1）模拟天然软骨的力学特征，水凝胶需具备良好的力学性能，能够吸收压缩载荷，抵抗纵向变形，足以应对关节腔内复杂的力学环境；（2）合理的微观孔隙结构，利于细胞浸润、迁移，营养物质、电解质、代谢废物的扩散和交换；（3）制备水凝胶所用原料及降解产物安全无毒，具有良好的生物安全性；（4）可控的的生物降解性，使水凝胶支架与新生软骨的生长速度相匹配；（5）良好的细胞亲和性和功能特异性，能负载并缓释生物活性因子，具有适宜种子细胞黏附、增殖和分化的仿生微环境，同时不会诱发机体的免疫和炎症反应；（6）水凝胶制备流程简单、显著减少制造时间及生产成本，便于储存及运输。随着对以上各方面的深入研究，基于水凝胶的组织工程技术在骨、软骨、半月板等承重组织的修复再生中应用前景广阔，有望获得一种适用于临床的理想仿生水凝胶组织工程软骨产品，这是未来研究工作的重点。