光聚合水凝膠在軟骨組織工程中的應用進展

施昌勁 姚宇 吳剛 孫平 馮劍穎

關節軟骨由于缺乏血管組織的解剖結構特點，其缺損難以達到自我修復，是現臨床亟需解決的重要問題[1]。軟骨組織工程學為解決這一難題提供新的治療思路。在眾多軟骨組織工程學支架材料研發中，光聚合水凝膠材料日益受到學者們的關注。1960年，人們研制出了交聯聚（羥乙基）甲基丙烯酸酯水凝膠，以此開始了水凝膠在生物醫學領域的應用[2]。水凝膠是一類通過共價鍵、范德華力或氫鍵等相互作用而交聯形成的三維網狀結構的高分子聚合物，具有優良的生物相容性、生物降解性、可調節性以及機械學性能，在生物醫學領域被廣泛研究[3]。光聚合水凝膠為一類在可見光或紫外光作用下，光引發劑釋放自由基與水凝膠預聚體結合，觸發成膠反應的水凝膠。因其可調節性強、生物相容性好的特點[4]，近年來成為軟骨組織工程支架材料研究的熱點。

1 光聚合水凝膠的材料

1.1 天然來源光聚合水凝膠 天然高分子聚合物，如透明質酸、海藻酸鹽、殼聚糖等可良好地包裹軟骨細胞，有著較高的生物相容性，并可通過特定表面受體與細胞相互作用，促進細胞遷移、增殖和細胞外基質的產生。

1.1.1 透明質酸 透明質酸廣泛存在于脊椎動物上皮和結締組織中，是一種天然的線性多糖，由D-葡萄糖醛酸和N-乙酰-D-氨基葡萄糖組成，由β-1，3-糖苷鍵和β-1，4-糖苷鍵連接。它能與細胞表面的特定受體結合，起到調節細胞黏附、遷移、增殖和分化的作用，并存在于細胞外基質中，維持組織的機械完整性、穩態、黏彈性和潤滑性[5]。

1.1.2 海藻酸鹽 海藻酸鹽是一類提取自褐藻類的海帶或馬尾藻的一種多糖碳水化合物，以價格低、生物相容性好和低免疫原性且容易獲得為特征，廣泛應用于各種生物醫藥領域[6]。

1.1.3 殼聚糖 殼聚糖為甲殼素脫乙酰后獲得，是唯一一種高分子堿性氨基多糖，與細胞外基質中大量存在的氨基多糖在物理化學性能上非常相似，具有良好的生物相容性和可生物降解性[7]。

1.1.4 其他 硫酸軟骨素[8]、蛋白[9]、纖維素[10]等都是自然界廣泛存在的天然水凝膠來源。

1.2 人工合成來源光聚合水凝膠 經由人工合成的高分子聚合物諸如聚乙烯醇、聚乙二醇等，具備優良的機械學性能、可調節性，且易于獲得。它們在提供高度水合環境的同時，具有很高的誘捕活細胞的潛力，可促進營養物質的擴散，并刺激細胞遷移、增殖和分化。

1.2.1 聚乙烯醇 聚乙烯醇是一種具有良好生物相容性的水溶性高分子材料，可經由聚乙稀醋酸酯的醇解或水解得到。因其具有的良好生物相容性，高水含量以及與組織相似的粘彈性質使其在軟骨組織工程、傷口輔料、藥物載體中廣泛應用[11]。

1.2.2 聚乙二醇及其衍生物 聚乙二醇是具有線性和分支（多臂或星形）結構的親水性聚合物，以具有兩個末端羥基基團為結構特點，可被功能化為其他官能團，以利于水凝膠的形成或與生物分子的結合。

1.2.3 其他 聚丙烯酸衍生物[12]、聚乳酸（PLA）[13]、聚L-丙交酯-己內酯（PLCL）[14]等人工合成水凝膠材料也被廣泛研究與應用。

2 光聚合水凝膠的性能

各種環境響應性水凝膠近年來愈發受到學者們的關注，如溫度響應性水凝膠、pH響應性水凝膠、磁響應性水凝膠以及光聚合性水凝膠。在各種環境的刺激下，水凝膠可促發聚合成膠反應[15-17]。與其他環境響應性水凝膠相比，光聚合可在生物體中較為苛刻的溫度及pH環境下進行，反應條件溫和（光照強度低、照射時間短、生理溫度下、有機溶劑水平低等），并通過利用光源的調控如光的波長、強度等，實現對形成水凝膠的時間及結構特性的精準調節[18-19]。

光聚合水凝膠通常由預聚體及光引發劑兩大部分組成，其光聚合反應一般分為自由基鏈式聚合與生物正交點擊反應兩種[20]。大部分光聚合水凝膠采用自由基鏈式聚合方式，其機制為光引發劑吸收光子并裂解形成自由基，自由基粒子與預聚體中的乙烯基鍵發生反應，發生鏈增長，形成化學交聯[21]。生物正交點擊反應的優點是在溫和的條件下進行，具有更快的反應動力學、更高的效率和選擇性[22]，但由于反應中含硫醇小分子的保質期較短（幾小時至幾天），使得其實際應用受到限制與挑戰[23]。

光引發劑是光聚合水凝膠的重要組成部分，影響光聚合水凝膠的性能，在光聚合的效率和成膠特性上起到關鍵作用。目前常用的光引發劑主要有自由基光引發劑和陽離子光引發劑兩大類[24]。自由基光引發劑如I2959由于其具備的良好的生物相容性，為目前應用最廣泛的光引發劑[25]。相比之下，陽離子光引發劑可產生對細胞有害的質子酸，極大地限制了其應用[26]。引發聚合反應的光源可采用365 nm的紫外光和450～550 nm的可見光[27]。

光聚合水凝膠具備優良的生物相容性與生物降解性，是組織工程中的理想選擇材料[28]。其含水量較高，機械學性能與生物組織類似，模擬細胞外基質的滲透性與支持功能，利于氧氣、營養物質和代謝產物的運輸。天然來源光聚合水凝膠可被人溶菌酶生物降解并產生生物相容性的副產物，較人工合成來源光聚合水凝膠具有更好的生物相容性。而人工合成來源光聚合水凝膠的組分可調節，理化性能與生物降解代謝時間可根據組織部位、需求而優化，應用范圍和前景也更廣泛[29]。

此外，光聚合水凝膠有著如下特性：成膠的時機易于控制；可通過精確調節光照劑量實現水凝膠的功能調節；較小的反應熱；成膠固化迅速（可從不到1 s至幾分鐘）；在光照作用下，水凝膠可原位成膠，形成的幾何形狀易于控制[30]。光聚合水凝膠可直接與骨形態發生蛋白-2、轉化生長因子β3等細胞因子結合，將細胞因子信號傳遞作用于包封在水凝膠基質中或者周圍的細胞團。在一些細胞療法中，光聚合水凝膠可作為支架為細胞提供支持作用，并促進代謝產物的適當擴散以及保護其免受自身免疫性炎癥的影響[31]。

3 光聚合水凝膠在軟骨組織工程中的應用

3.1 搭載細胞支架材料

3.1.1 搭載多能干細胞促進軟骨修復 光聚合水凝膠具有高含水量、良好生物降解性和生物相容性、網狀空隙結構的特性，利于細胞的生長、增殖與分化。在軟骨組織工程中，常搭載諸如骨髓間充質干細胞[32-33]、脂肪間充質多能干細胞[34]等多能干細胞，實現軟骨組織的再生修復。Pascual-Garrido等[32]利用聚乙二醇和基質金屬蛋白酶2制備了模擬軟骨環境水凝膠。體內體外動物實驗證實，此新型水凝膠通過搭載骨髓間充質干細胞可在兔關節軟骨缺損區術區原位光聚合，并促進兔軟骨修復。Lin等[33]研究表明，可見光活化甲基丙烯酸明膠水凝膠搭載人骨髓間充質干細胞促進了兔全層關節軟骨缺損軟骨單元的再生。

3.1.2 搭載軟骨細胞促進軟骨修復 自體軟骨細胞移植已被廣泛用于臨床軟骨缺損的治療，然而提高移植軟骨細胞在缺損區的存活率仍是挑戰。許多研究表明，軟骨細胞在光聚合水凝膠中可以很好增殖，表達軟骨相關的蛋白或基因，并保持細胞的形態和表型[35-37]。

Balaji等[35]通過硫醇-烯反應生成了聚乙二醇-明膠光聚合水凝膠，實驗發現包封軟骨細胞14 d后，該水凝膠培養體系中出現明顯的水凝膠降解伴隨高質量的軟骨形成與軟骨細胞的擴散以及糖胺聚糖增多、廣泛軟骨特異性細胞外基質沉積，提示這種新型水凝膠在軟骨修復應用上具備較大的潛力。Qi等[37]制備了一種絲膠基甲基丙烯酰光聚合水凝膠，即使在缺乏營養的情況下，也能促進附著軟骨細胞的增殖，同時體內植入載軟骨細胞的絲膠基甲基丙烯酰光聚合水凝膠可在8周后有效地形成人工軟骨。

3.2 無細胞支架材料 雖然搭載細胞的光聚合水凝膠在軟骨組織工程上的研究與應用已取得了較大的進展，然而由于細胞提取成本高、培養時間長等原因，近年來無細胞支架材料在軟骨組織工程中逐漸成為研究熱點。Dua等[38]證實，羥基磷灰石增強下未搭載細胞的聚乙二醇二丙烯酸酯（polyethylene glycol diacrylate，PEGDA）水凝膠有效促進兔膝關節軟骨缺損的修復。Levingstone等[39]制備了一種新型無細胞多層仿生膠原基水凝膠支架，通過分層誘導自體軟骨細胞、骨髓間充質干細胞爬入吸附，在12個月后完善地修復了兔關節軟骨及軟骨下骨缺損，表明該無細胞支架材料存在較大臨床應用潛力。

3.3 藥物及生長因子的釋放載體 軟骨組織的生長和發育需要依賴各種生物活性分子的調節。在生物活性分子的作用下，周圍軟骨細胞得以聚集、增殖、分化，形成新生組織。生物活性分子可以包括生長因子、黏附蛋白、多肽等[18]，對生長因子的調控與釋放在軟骨組織工程中至關重要。Sharma等[40]證實，在含有透明質酸和轉化生長因子β3的水凝膠中的骨髓間充質干細胞轉化產生了高質量的軟骨，透明質酸與轉化生長因子β3結合可提高蛋白多糖的生成，減少Ⅰ型膠原的產生。Shao等[41]制備了馬來酰殼聚糖復合甲基丙烯酸絲素納米顆粒光聚合水凝膠，并搭載轉化生長因子β，可有效促進人骨髓間充質干細胞與小鼠成骨細胞的黏附與增殖。水凝膠和細胞因子的組合還有待進一步探索。

4 挑戰與展望

目前在光聚合水凝膠臨床推廣上仍需解決幾個難題。（1）光源的有害暴露。光聚合過程中的紫外線可對周圍組織細胞DNA造成氧化損傷，以及加速周圍組織老化、增加致癌的風險等[18]。臨床傾向于采用波長為450～550 nm的可見光作為替代光源[27]。（2）自由基的產生。在自由基鏈式聚合中，自由基可引發水凝膠鏈式聚合反應，但也可與細胞膜、蛋白質和DNA等細胞成分中的雙鍵相互作用，從而威脅細胞活力、新陳代謝和DNA的完整性[42]，進而增加腫瘤形成的風險。（3）光引發劑的內在毒性。因此，光引發劑的選擇、聚合方式的優化，依舊需要持續的探索。

光聚合水凝膠由于其優良的生物相容性、物理結構特征、生物降解性，可作為軟骨組織工程學支架材料的開發方向。其有原位光照交聯、材料性能的精準時間空間調控的特性，具有廣闊的應用前景。研究制備仿生、天然的光聚合水凝膠材料，提高臨床應用流程的安全性將是學者們今后研究的熱點和方向。