海藻酸鹽水凝膠在軟骨細(xì)胞及軟骨組織工程研究中的新進(jìn)展

【摘要】海藻酸鈉是一種天然大分子多糖，具有同二價(jià)陽離子交聯(lián)形成水凝膠的特性，由于其良好的生物相容性、可降解性、無毒性、免疫惰性、具有適宜的孔徑及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)適合營養(yǎng)物質(zhì)的交換、細(xì)胞間的相互聯(lián)系、并且具有一定的機(jī)械性，可用來研究體外軟骨細(xì)胞的生物學(xué)特性、干細(xì)胞的誘導(dǎo)，為軟骨細(xì)胞和各種生物因子、藥物、力學(xué)干預(yù)之間的相互作用提供載體。但是由于其降解速率過快，以及機(jī)械性能較弱的緣由，實(shí)際當(dāng)中為了適合科研的需要，進(jìn)行了諸多的修飾和改性。

【關(guān)鍵詞】海藻鹽；水凝膠

Salt alginate gel on the new progress in the study of chondrocytes and cartilage tissue engineering

Zhang Shuai

Shanghai university of traditional Chinese medicine and rehabilitation medicine Shanghai 200000，China

Abstract： Alginate is a natural macromolecular polysaccharide with hydrogel forming characteristics with two valence cationic crosslinking， due to its good biocompatibility， biodegradable， non-toxic， inert， with pore size and immune network structure suitable for exchange of nutrients， intercellular interaction， and has certain mechanical properties， and can be used to study biological characteristics of chondrocytes in vitro induction of stem cells， providing support for the interaction between chondrocytes and various biological factors， drugs， mechanical intervention. However， due to its degradation rate is too fast， and mechanical properties of the reasons for the weak， in order to meet the needs of scientific research， a lot of modification and modification.

Key word ：Seaweed salt； hydrogel

本文檢索了近年來國內(nèi)外關(guān)于藻酸鹽及軟骨組織工程（“Cartilage tissue engineering”“Alginate”“Chondrocytes”）的文章，選取關(guān)于海藻酸鹽的改性修飾的文章，經(jīng)篩選符合要求的文獻(xiàn)，對(duì)相關(guān)的內(nèi)容做進(jìn)一步的查閱之后，綜述如下：

1.藻酸鹽的特性：

海藻酸鹽藻酸鹽是從海帶、馬尾藻等褐海藻中分離得到的一種天然多聚糖，由1，4-B-D甘露糖醛酸和A-L-古洛糖醛酸連接而成的線性多聚糖，相對(duì)分子量在5000～15000之間。海藻酸鹽的親水性及帶負(fù)電荷能很好的模擬軟骨細(xì)胞外基質(zhì)，電子顯微鏡觀察為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，海藻酸鈣形成的凝膠小球的表面以及內(nèi)部孔隙適中，可以讓細(xì)胞進(jìn)行營養(yǎng)交換，及細(xì)胞間的相互聯(lián)系。其降解速率較快，機(jī)械性能較弱。

2.改性修飾的方法：

2.1光交聯(lián)方法：

當(dāng)海藻酸鹽同其他化合物經(jīng)光照射后發(fā)生光解作用，化學(xué)鍵的一部分?jǐn)嚅_，生成的游離基等活化分子互相鍵合而形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，是合成高分子材料的重要手段之一。具有操作便捷、節(jié)約、無污染等特點(diǎn)。Balakrishnan， B等制備高碘酸氧化海藻酸鈉與明膠自交聯(lián)的水凝膠，經(jīng)復(fù)合小鼠軟骨細(xì)胞培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)是一種很有前途的可注射的軟骨修復(fù)基質(zhì)[1]。 Chu， J等將三聚乳酸（PLLA）同海藻酸鈣制備成復(fù)合水凝膠，發(fā)現(xiàn)交聯(lián)的復(fù)合支架具有孔隙分布均勻、機(jī)械強(qiáng)度高并且生物相容性好的特點(diǎn)[2]。Coates， E.E等通過光引發(fā)劑的作用下使得甲基丙烯酸酯基團(tuán)同海藻酸鈉在紫外光照射下形成聚合物，發(fā)現(xiàn)該聚合物可做為一種可注射行的軟骨修復(fù)治療介質(zhì)[3]。Fan， C.J. and D.A. Wang通過將包有軟骨細(xì)胞的海藻酸鈉微球經(jīng)光交聯(lián)復(fù)合于硫酸軟骨素（CS）中培養(yǎng)后，這樣充分發(fā)揮了海藻酸鈉微球的載負(fù)轉(zhuǎn)運(yùn)功能[4]。

Jeon， O等通過共價(jià)修飾光交聯(lián)含有Arg-Gly-Asp氨基酸序列的海藻酸鈉水凝膠，具有良好的生物降解好、細(xì)胞粘附性和機(jī)械性能[5]。Rouillard， A.D等采用光引發(fā)劑（va-086）與海藻酸鈉通過光交聯(lián)丙烯酸甲酯形成復(fù)合水凝膠支架，并復(fù)合牛軟骨細(xì)胞培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)復(fù)合水凝膠對(duì)軟骨細(xì)胞沒有毒性作用，并有一定的機(jī)械力學(xué)性能[6]。Karunanithi， P等通過利用褐藻多糖硫酸酯（0.5%）加入到1.5%海藻酸鈉中復(fù)合水凝膠，能夠提高人類間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）的成軟骨能力[7]。Wang， Y等通過光交聯(lián)甲基丙烯酸與混合鋇離子和鈣離子形成甲基丙烯酸/海藻酸鈉復(fù)合水凝膠微球，發(fā)現(xiàn)經(jīng)修飾的復(fù)合水凝膠可增加特異性軟骨基質(zhì)的分泌，維持軟骨細(xì)胞的表型[8]。Leong， W.， T.T. Lau and D. Wang通過將復(fù)合軟骨細(xì)胞的明膠微球（主要直徑為50-100μm）種植于藻酸鈉水凝膠中，發(fā)揮了明膠的載體功能和良好的致孔劑的功能，從而對(duì)軟骨細(xì)胞的體外培養(yǎng)發(fā)揮更高的效率[9]。

2.2 化學(xué)交聯(lián)方法：

化學(xué)交聯(lián)指在光、熱、高能輻射、機(jī)械力、超聲波和交聯(lián)劑等作用下，大分子鏈間通過化學(xué)鍵聯(lián)結(jié)起來，形成網(wǎng)狀或體形結(jié)構(gòu)高分子的過程。通過化學(xué)交聯(lián)可改善聚合物的性能。

Knoll， G.A等模擬重復(fù)排列的丙氨酸、甘氨酸、絲氨酸的類似蜘蛛絲蛋白多肽序列交聯(lián)海藻酸鈉形成新型水凝膠，從而形成一種新的納米級(jí)家族的軟骨工程支架[10]。Park， H.， E.K. Woo and K.Y. Lee等在沒有額外的化學(xué)交聯(lián)劑的條件下通過調(diào)整透明質(zhì)酸與海藻酸鈉以及鈣離子的濃度制成透明質(zhì)酸/海藻酸鈉水凝膠（HGA），經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)HGA可用于軟骨組織工程領(lǐng)域。

Oprenyeszk， F等將殼聚糖（0.6%）海藻酸鈉（1.2%）復(fù)合軟骨細(xì)胞通過注射器緩慢注入到氯化鈣溶液中形成凝膠微球發(fā)現(xiàn)殼聚糖-海藻酸鈉凝膠微球可作為一種更好的軟骨細(xì)胞移植修復(fù)軟骨缺損的支架。Wan， W等將氨基-2乙氧基丙烷（amino-diethoxypropane）修飾到海藻酸鈉上形成半縮醛基再加入到殼聚糖中形成復(fù)合水凝膠。發(fā)現(xiàn)復(fù)合水凝膠復(fù)合BMSCs用于軟骨缺損可促進(jìn)軟骨再生。Yang， X等通過交聯(lián)膠原與海藻酸鈉形成復(fù)合水凝膠，交聯(lián)后的水凝膠的壓縮模量和降解性能進(jìn)行了改善，可以保持軟骨細(xì)胞的細(xì)胞表型。在軟骨組織工程中有巨大的應(yīng)用潛力。Yan， S等將改良的聚（L-谷氨酸）/海藻酸鈉（PLGA/ALG）水凝膠進(jìn)行力學(xué)性能、微管孔徑測試、體外降解測試及復(fù)合軟骨細(xì)胞體外培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)改良后的復(fù)合水凝膠PLGA/ALG可用于軟骨組織工程的研究。

2.33D打印技術(shù)：

3D打印技術(shù)是近年來隨著科技的進(jìn)步不斷應(yīng)用起來的技術(shù)，通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，現(xiàn)在逐步擴(kuò)展到材料制備的各個(gè)行業(yè)當(dāng)中。Bartnikowski， M等通過3D打印技術(shù)制備海藻酸鈣和羥基磷灰石支架并通過光交聯(lián)明膠丙烯酰胺鑄（GelMA）透明質(zhì)酸甲酯（HAMA）制成水凝膠，發(fā)現(xiàn)制成的復(fù)合水凝膠無毒性并有良好的細(xì)胞相容性。Cohen， D.L等使用3D打印技術(shù)制造均質(zhì)性更好的海藻酸鈉水凝膠，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)這種水凝膠的機(jī)械性能有了很大的提高。Kundu， J等利用添加劑制造（AM）與多頭沉積系統(tǒng)（MHDS）的細(xì)胞3D打印機(jī)，打印由聚己內(nèi)酯（PCL）和種植軟骨細(xì)胞的海藻酸鈣水凝膠形成層疊加型（layer-by-layer （LBL））三維支架。Markstedt， K等應(yīng)用3D打印技術(shù)將有優(yōu)異的剪切性能的納米原纖維素（NFC）同有快速交聯(lián)的海藻酸鈉制成復(fù)合三維膠體支架。 Reed， S等通過3D打印技術(shù)打印出高度多孔、親水性強(qiáng)的殼聚糖/海藻酸鈉水凝膠（Ch-Al），通過精確可控的致孔技術(shù)制成不同孔徑的水凝膠，從而在軟骨及骨的組織工程學(xué)中提供更好的支架材料。

3.結(jié)論：藻酸鹽水凝膠與其他聚合物相比， 價(jià)格低、來源豐富、易塑形、具有更好的親水性， 易于細(xì)胞吸附， 營養(yǎng)物質(zhì)易于滲透等特點(diǎn)，經(jīng)過改性修飾之后，其力學(xué)性能及生物相容性能都發(fā)生了變化，科研當(dāng)中可以根據(jù)研究的需要選擇合適的海藻酸鈉水凝膠。

參考文獻(xiàn)：

[1]Balakrishnan， B.， et al.， Self-crosslinked oxidized alginate/gelatin hydrogel as injectable， adhesive biomimetic scaffolds for cartilage regeneration. Acta Biomater， 2014. 10（8）： p. 3650-63.

作者簡介：張帥，男，1986年9月，，山東日照人，畢業(yè)于上海中醫(yī)藥大學(xué)，本科中西醫(yī)結(jié)合專業(yè)，碩士針灸推拿，目前在職攻讀中西醫(yī)結(jié)合康復(fù)專業(yè)博士學(xué)位，職稱：主治醫(yī)師。方向：KOA的防治與機(jī)理研究。