光熱響應性水凝膠組織工程移植物研究進展

高紅霞，劉亞瓊，張李玲，孫韶蘭，管文超， 王曉路，黃 然，李貴才

(1. 南通大學 神經再生重點實驗室，江蘇 南通 226001)

(2. 蘇州絲美特技術有限公司，江蘇 蘇州 215168)

(3. 凱喜雅控股有限公司，浙江 杭州 310004)

1 前 言

組織和器官的創后修復是人類現今亟待解決的社會醫學問題。過去幾十年間，隨著細胞生物學和材料科學的快速發展，組織工程作為一個跨學科領域取得了巨大的進步[1]。目前，組織工程已被用于重建各種生物組織，從皮膚、骨骼和軟骨等簡單組織到膀胱和氣管等復雜器官[2]。組織工程學研究的主要內容包括種子細胞、生物材料與組織工程化構建3個部分，如圖1所示，其核心是構建由細胞和生物材料組成的三維復合體并制作組織工程支架。組織工程支架的要求包括高生物相容性、無毒性、可控的生物降解速率、良好的成血管化能力、提供細胞浸潤的適當形態、提供細胞-材料相互作用的適當生化和力學性能等[1，3]。

圖1 致力于組織工程應用的工程材料、細胞和組織構建技術

在利用組織工程為受損的組織或器官提供治療方案時，自體移植和同種異體移植是眾所周知的優選方案，但也各有優缺點。自體移植一直被認為是組織移植的黃金標準。盡管自體移植物具有可吸收性、提供活細胞來源的特性，但供體部位的高發病率和感染率仍是使用自體移植物的隱患問題。與自體移植物不同的是，同種異體移植物是來自尸體或其他個體的移植物。由于尸體缺乏活的誘導細胞，且其他個體移植物易發生免疫應答和移植排斥反應，從而限制了移植物的應用潛力，但其他個體的發病率較低[4]。由于以上兩種方法均不能很好的滿足臨床需求，進而促進了組織工程的發展，利用組織工程制備的人工移植物已經可以很好地改善以上問題[5，6]。

在過去的20年內，水凝膠作為支架材料可以說是組織工程領域取得巨大進展的關鍵。水凝膠的高度親水性、生物相容性和成分多功能性，以及與天然細胞外基質的結構相似性，使它成為適用于組織工程的細胞友好型多功能微環境的理想構建模塊，也因此被認為是遞送細胞和改造受損組織的最佳選擇[7，8]。水凝膠依據來源，可分為天然、雜化和合成水凝膠。其中存在一種獨特的水凝膠，可對外部介質的微小變化表現出敏感性，并且在暴露于特定條件下時表現出不同形式的響應，稱為刺激/智能響應水凝膠[9]。常見的刺激包括物理(光[10]、溫度[11]、電場[12]、磁場[13]、壓力[14])、化學(酸堿度[15，16])、生物化學(離子/分子識別[17])等，且可根據水凝膠對外部刺激的響應度，進一步分為單重、雙重、多重響應性水凝膠，其中光和溫度雙重響應性水凝膠由于其獨特而優異的功能而廣泛應用于生物醫學工程領域。

本文概述了基于光熱響應性水凝膠組織工程移植物取得的最新研究進展。著重關注了智能水凝膠如何通過光熱刺激改善其性能，以指導水凝膠對外部刺激作出響應，從而在組織工程中進行應用，并總結了相應的光熱材料以及近年來的研究成果，以闡明光熱響應性水凝膠在組織工程領域的發展潛力以及在未來發展過程中可能遇到的挑戰。

2 智能水凝膠

2.1 水凝膠特性

水凝膠內部含有親水基團，遇水溶脹不溶解，是一種三維網絡聚合物。它具有良好的親水性結構，可以攜帶大量的水或其他生物液體，營養物質在其中易于溶解并擴散到細胞中[18]。水凝膠可分為自然衍生的以及人工合成的或半合成的，自然衍生的水凝膠存在于生物的不同結構中，如細胞外基質、表皮、粘液、軟骨、明膠、膠原蛋白、肌腱等。在組織工程中，理想的生物支架可以促進新的組織生長、新生血管，同時表現出高度的生物相容性和生物降解性能，從而使支架在愈合過程中或組織再生后降解，避免再次手術，而水凝膠獨特的結構和特點可滿足以上要求，因此水凝膠已經成為生物醫學和組織工程領域應用的主要支架材料[19]。

2.2 水凝膠分類

根據對外界刺激的不同反應，水凝膠可分為傳統水凝膠(對外界刺激不敏感)和敏感水凝膠(對外界刺激敏感)，敏感水凝膠也被稱為智能水凝膠。外界刺激一般包括溫度、pH值、離子強度、有機化合物濃度、磁場、電場和光等[20]。當這些外部因素達到某個臨界點時，智能水凝膠通常會發生不連續的突變或體積相變[21]。智能水凝膠具有良好的生物相容性、高穩定性、靈活的合成方法，應用于臨床治療領域時副作用少，可以作為組織修復的支架嵌入細胞或組織，也可以作為藥物傳遞系統(圖2)，轉運藥物并進行定向釋放，實現靶向治療，智能水凝膠的分類總結見表1。

表1 智能水凝膠的分類

圖2 智能水凝膠的響應過程

3 光熱響應性水凝膠

隨著組織工程的發展，智能水凝膠材料的響應性行為中，由于對生物材料的非接觸式遠程控制，光刺激具有不可替代的優勢。水凝膠的光響應性通常是由于向水凝膠系統中引入了光敏基團或感光性化合物，如光二聚型基團、重氮與疊氮基團、丙烯醋酸基團等光敏性基團和葉綠酸、重鉻酸鹽、芳香族疊氮與重氮化合物、有機鹵素等感光性化合物，在光的刺激下，水凝膠內部構型發生變化。該類材料的響應過程具有可逆性，離開光刺激后可以恢復到原始狀態，具有可控、清潔、智能等特性，從而可應用于生物醫療、細胞培養、腫瘤治療等[36，37]。Ma等[38]通過將氧化的羥丙基纖維素與羧甲基殼聚糖交聯，得到可注射的水凝膠，此水凝膠系統具有磁靶向和光熱響應等多種功能，能在光熱刺激下釋放藥物，實現光熱療法。光熱療法是一種新興的光介導的消融癌細胞的方法，由于具有遠程控制、副作用少的優勢，已被用作一種很有前途的癌癥替代治療方法。同時具備光熱性和水凝膠優異特性的光熱響應性水凝膠越來越廣泛地應用于生物醫學領域。下面將主要從光熱響應性水凝膠的光熱納米材料、水凝膠基質、光熱光源以及制備方法4個方面來做主要介紹。

3.1 光熱納米材料

能量從光到熱的傳遞廣泛發生于物理、化學和生物反應中，是自然界中最基本的過程之一。其中部分天然材料可以充當光吸收劑，有效將光能轉化為熱量。迄今為止，已有大量材料，如碳基化合物、有機/無機聚合物等，被證實具有光熱轉換效應[39]。然而，與傳統光熱劑的塊狀結構相比，精心設計的納米結構可以表現出獨特的熱、光學和電子特性。定制光熱納米材料的形狀、大小、成分和周圍環境，從而為調整材料的光熱性能提供了更多的可能性[40]。此外，在組織工程領域應用的光熱劑可將光子轉換為熱量，從而達到熱療的效果。光熱劑要求具有足夠的光熱轉換效率、高光穩定性和高生物相容性。具有高比表面積和精細結構的納米材料顯然十分符合以上要求[41]。因此納米材料成為了21世紀的一大研究熱點，在生物工程、光電、臨床醫學領域均有不俗的應用潛力。

3.1.1 無機光熱納米材料

無機光熱納米材料主要包括貴金屬納米材料，如金、銀、鈀、鉑等，貴金屬納米材料由于具有強大的表面等離子體共振、合成可調性、生物成像潛力和優異的光熱性能，被認為是簡單且有效的光熱納米材料[42]。研究表明，其中金由于具有良好的生物相容性和較低的細胞毒性，成為最受歡迎的介導光熱療法的光熱納米材料之一[43]。目前，已經開發出了幾種具有獨特尺寸和形貌的金納米材料，包括納米棒、納米球、納米星、納米籠和納米殼等。

銀納米粒子是另一種貴金屬納米材料，由于其獨特的尺寸和形狀可控、易于改性和優異的光電性能而得到了廣泛的應用。與金納米粒子類似，銀納米粒子的表面等離子體共振可以通過改變其大小和形狀來調整紅外區域。Kim等[44]向在雙蒸水中溶解的牛血清白蛋白(BSA)和NaBH4中加入AgNO3，制備了含牛血清白蛋白的銀納米顆粒(BSA-AgNPs)，這些納米顆粒可誘導活性氧內化并殺死黑色素瘤細胞，同時也被發現在抑制血管生成方面發揮了潛在的作用。此外，BSA-AgNPs懸浮液溫度在690 nm激光照射下顯著升高，表明該懸浮液具有較強的光熱轉換能力，可用于癌癥的治療。

另一種貴金屬基鈀納米片也被開發用于進行化學光熱療法，鈀納米片在近紅外區域表現出光熱穩定性、高的熱轉化效率和生物相容性，以及可調的局域表面等離子共振峰，實驗結果表明，較小的納米線在超低激光照射下表現出較好的光熱效應。體內實驗顯示，厚度為1.8 nm、直徑為5 nm的鈀納米片可以逃脫較長的血液半衰期，從腎臟排出，而大的納米片則在肝臟和脾臟中積累[43]。

過渡金屬二鹵代化合物通常由1層過渡金屬原子和2層硫族化合物原子組成，其廣義公式為MX2。M為第ⅣB～ⅡB族的過渡金屬，如銅、鉬、鎢、鈦等，X為硫族元素。研究發現，單層過渡金屬二鹵代化合物具有較強的近紅外光吸收、良好的光熱轉換效率和優異的光熱穩定性，這使得過渡金屬二鹵代化合物具有作為光熱劑使用的潛力[45]。

近年來，碳基納米材料作為無機材料已被廣泛應用于腫瘤治療，通過光熱療法治療腫瘤已被廣泛研究。許多碳基納米材料被開發用于生物醫學領域，如碳點、量子點、石墨烯和碳納米管等。石墨結構使碳基材料在近紅外區域具有較強的吸收能力和良好的光熱轉換效率[46]。此外，碳基材料的超高表面積使它能夠構建多功能納米平臺，在腫瘤治療中具有較好的應用前景。

Huang等[47]將硫化銀納米點共軛鐵摻雜生物活性玻璃納米顆粒與聚乙二醇雙丙烯酸酯和偶氮二咪唑啉基丙烷-二鹽酸鹽溶液混合，形成一種新型光活化可注射納米水凝膠(PBFA)。體外實驗結果表明，在808 nm激光照射下，相較于對照組，PBFA組的溶液溫度明顯升高，細胞內活性氧濃度增加，腫瘤細胞的存活率(33%)顯著降低。與對照組相比，PBFA組能更有效地抑制腫瘤生長，具有更好的生物學安全性。

3.1.2 有機光熱納米材料

有機光熱納米材料包括有機小分子光熱納米材料、共軛聚合物納米材料和其他有機光熱納米材料。相比于無機光熱納米材料較差的生物降解性，有機光熱納米材料具有更加優秀的生物降解性和生物相容性，有效防止了潛在的細胞毒性，從而賦予了該材料臨床應用的功能。

常見的有機小分子光熱材料包括花菁染料、卟啉、酞菁、硼二吡咯甲基乙烯和吡咯并吡咯二酮。這些小分子具有良好的光熱轉化能力和生物安全性，但也存在諸如水溶性差，在腫瘤中的積累有限等特點?？赏ㄟ^功能修飾、設計納米載體，提高有機小分子的增溶性和藥代動力學，增強治療藥物在腫瘤組織中的滲透和保留，從而提高治療效果[48]。

具有較大π共軛主鏈和高電子離域結構的共軛聚合物由于具有高消光系數和良好的生物相容性，廣泛應用于腫瘤治療領域[49]。目前，共軛聚合物納米材料主要包括聚吡咯、聚苯胺、供體-受體共軛聚合物，以及聚(3,4-乙基二氧噻吩)：聚(4-苯乙烯磺酸鹽)等。它們都具有良好的生物相容性、優異的光熱性能和光穩定性，聚苯胺還具有較強的近紅外光吸收率[50]。

天然黑色素基納米材料具有許多有益的物理化學性質，包括寬帶紫外-可見光吸收和優良的光熱轉換效率。因此，天然和人工黑色素基納米材料或黑色素樣納米顆粒的應用在生物醫學領域，特別是在抗腫瘤光熱療法方面取得了顯著的成果[51，52]。

3.1.3 有機-無機雜化光熱納米材料

大多數有機光熱納米材料的光熱特性需要進一步的修飾才能用于體內腫瘤的治療[53，54]。無機光熱納米材料雖然具有獨特的物理化學性質，如高摩爾消光系數、良好的光熱轉化率、優異的光熱穩定性等，然而，其較差的生物降解性和潛在的細胞毒性限制了它在臨床治療中的應用[55]。由于無機或有機光熱納米材料單獨應用的效果不理想，有機-無機復合納米材料在光熱療法中的應用引起了人們的關注。有機-無機復合納米材料不僅整合了有機和無機納米材料各自的優勢，提高了其物理和化學性質，而且還表現出協同作用[56]。常見的有機-無機復合納米材料結構包括核/殼納米顆粒和金屬-有機框架(MOFs)[57，58]。核/殼納米顆粒可廣義地定義為由核層和殼層2部分組成的雜化材料，2部分都可以由有機或無機材料組成。且可以有多種不同的組合，包括無機/無機、無機/有機、有機/無機和有機/有機。殼體材料可以彌補芯體材料在生物醫學應用中的不足。此外，核/殼納米結構的有機部分可增加無機納米結構的生物相容性和穩定性，并能夠同時裝載更多的治療劑，從而最大限度地提高診斷效果。金屬-有機框架是由含金屬節點和配位鍵構建的材料，具有高熱穩定性和機械穩定性，其豐富且規則的孔隙率可提高藥物加載的效率。多種功能材料，包括金屬納米顆粒、石墨烯、碳納米管和一些生物分子等，已被集成到金屬-有機框架中形成復合材料以作為藥物遞送載體[59]。

3.2 水凝膠基質

根據來源的不同，水凝膠可分為天然水凝膠與合成水凝膠，不同材質水凝膠的物理化學性質也大相徑庭，如圖3所示[60]。

圖3 天然和合成水凝膠的物理化學性質[60]

3.2.1 天然水凝膠

天然水凝膠往往是來源于生物體的多糖或蛋白質，主要包括殼聚糖[61]、透明質酸[62]、膠原蛋白[63]、明膠、絲素蛋白[64]等。天然水凝膠的主要優點是低毒性、高生物相容性和可降解性。但由于部分天然水凝膠會受到外界環境的影響，缺乏穩定性，在組織工程領域的應用受到限制。為了克服天然水凝膠的局限性，重現生物組織的復雜結構，研究人員開發了新型的生物制造策略，如紡織技術和三維生物打印技術，用于開發各種應用于組織工程的先進水凝膠支架，并在心臟、神經和骨組織工程中有了的新應用[65]。

3.2.2 合成水凝膠

與天然來源水凝膠的局限性不同，合成水凝膠可以通過單體或聚合物(如聚乙烯醇、聚丙烯酰胺(PAAm)、聚乙二醇等)的網絡結構設計實現性能的可調控性，如機械強度、固有抗菌性等[66]，并且合成水凝膠可以較低的成本大規模獲得。Chen等[67]通過引入丙烯酸酯基團來合成羧化聚乙烯醇，隨后加入光引發劑D-2959和納米級羥基磷灰石制備羧化聚乙烯醇納米復合水凝膠。基于在羥基磷灰石和羧化聚乙烯醇之間游離的鈣離子鍵的形成改善了交聯點的數量，以及羥基磷灰石中的羥基和羧化聚乙烯醇分子鏈上的羥基與羧基之間的大量強氫鍵的相互作用，該水凝膠可在紫外光照射下數秒內凝膠化，且拉伸強度可提高1.46倍。Babaluei等[68]開發了一種具有抗菌和抗氧化特性的由羧甲基纖維素鈉/聚丙烯酰胺/聚多巴胺(CMC/PAAm/PDA)組成的可注射水凝膠，其中CMC作為水凝膠的親水性大分子，但是機械性能較差，而PAAm通過形成半互穿網絡系統可改善CMC的機械性能，另外，PDA可以通過PDA中的氨基和兒茶酚基團與PAAm中的氨基之間的氫鍵和π-π相互作用形成穩定的互穿網絡結構。然而，合成的水凝膠往往生物相容性差，缺乏生物降解性，且制備過程中殘留的引發劑、交聯劑等有毒物質可能進一步增加其生物應用的風險。開發更安全、多功能的合成水凝膠用于組織工程仍是目前研究的重點。

3.3 光熱光源

光能除了可轉換成化學能和機械能外，在光響應性水凝膠中，暴露于可見光下的活性基團可使水凝膠發生相變，改變水凝膠的部分性質，并且特定波長的光還可被有效吸收轉變成熱能，如近紅外光、紫外光、藍光等。

3.3.1 近紅外光

近紅外光，波長一般為700～1100 nm，人體內血紅蛋白和水分對近紅外光的吸收最弱，因此近紅外光可以達到較好的組織穿透效果。并且近紅外輻射不會直接影響刺激部位，而是刺激載體中的光熱納米粒子，這樣能夠避免介入性傷害。Li等[69]制備了一種聚多巴胺-透明質酸水凝膠負載過氧化鈣-吲哚菁綠結合月桂酸和二氧化錳納米粒子(CaO2-ICG@LA@MnO2)的復合水凝膠體系，如圖4所示。在近紅外光照射下，該復合水凝膠表現出優異的光熱性能，并實現了氧氣和活性氧的交替釋放，在受損組織的修復再生和抗炎微環境中起到了重要作用。因此，在生物醫學工程領域，紅外輻射是遠程控制釋放系統的理想選擇，被廣泛應用于光熱治療。

圖4 納米復合水凝膠的制備及應用示意圖[69]：(a)PDA-HA水凝膠的合成，(b)CaO2-ICG@LA@MnO2納米復合顆粒的制備，(c)納米復合水凝膠在傷口愈合中的應用

3.3.2 紫外光

紫外光的波長在10～400 nm之間，不屬于可見光，紫外光隨著波長的降低，穿透能力逐漸減弱，一般紫外光可穿透皮膚層，具有一定的殺菌作用，通常用于水凝膠的固化交聯。Liu等[70]制備了一種由白芨多糖和明膠取代雙交聯甲基丙烯酰胺并通過紫外線衍生而形成水凝膠貼片。研究表明，該水凝膠貼片可有效調節巨噬細胞M1/M2表型，體外顯著促進成纖維細胞增殖和遷移，加速血管生成，在不補充外源性細胞因子的情況下，通過正常表皮組織再生和膠原蛋白的適當沉積，促進創面愈合。也有研究人員[71]設計了可在紫外光照射下調控網絡結構的水凝膠，從而促進水凝膠的分解，但由于紫外光在人體照射過量時，會對生物體組織和細胞造成一定程度的損害，從而限制了該水凝膠在組織工程領域中的應用。

3.3.3 其他

除了以上的近紅外光和紫外光外，還有其他的光源同樣可用于調控水凝膠的結構。藍光不同于紫外光，是具有較高能量的短波長光線，組織穿透能力偏強，長時間照射對人體有一定的危害。Wang等[72]開發了一種基于明膠的藍光固化水凝膠系統，在該系統中，水凝膠作為引線串聯了血管內皮生長因子模擬肽KLTWQELYQLKYKGI和骨代謝肽甲狀旁腺激素1～34的同時，多肽對明膠支架進行共價修飾也調節了水凝膠的物理性質和生物活性，并且證明了這2種肽的協同作用可在大鼠顱骨骨缺損模型中促進骨再生。Jiang等[73]提出了一種通過His6標記蛋白質的金屬定向組裝來創建可注射的光響應水凝膠的方法，其中CarHC是B12的依賴性感光蛋白，可通過氨基末端His6標簽與過渡金屬離子絡合，且輔助因子AdoB12中的C—Co鍵對綠光敏感，從而形成具有顯著可注射性和光降解性的水凝膠。有趣的是，Lu研究團隊[74]受部分生物物種的活性變色能力的啟發，創建了一種具有不對稱配置的電動多色熒光水凝膠系統，該系統通過以發光涂料為中間層將熱響應熒光水凝膠與堆疊石墨烯組件基導電紙耦合，如圖5所示。由于在振幅和持續時間方面具有高度可控的電刺激，堆疊石墨烯組件薄膜提供的焦耳熱可以實現局部和實時調節，從而在低電壓下進行精確的局部發射顏色控制。

圖5 電控熒光變色水凝膠-石墨烯系統的設計[74]：(a)具有動態警報功能的卡通環礁水母，(b)系統的結構示意圖，(c)系統的電熱控制顏色可調過程

3.4 制備方法

水凝膠作為具有3D網絡結構的親水凝膠，根據交聯方式的不同，其制備方法可以分為物理交聯和化學交聯2類[75]，如圖6所示。不同的制備方法得到的水凝膠物理化學性質和網絡結構也會有一定的差異。

圖6 水凝膠的化學和物理交聯[75]

3.4.1 物理交聯

物理交聯形成的水凝膠的3D網絡結構主要是由分子之間的相互作用形成的，如離子間相互作用、氫鍵、凍融法結晶、疏水相互作用、蛋白質相互作用等。Chen等[76]利用單寧酸與Fe3+的氧化還原反應加速自由基聚合，合成了具有優異拉伸性和出色的韌性，以及抗拉變形、抗壓強度強的離子導電水凝膠聚甲基丙烯酸-2-羥乙酯，以致密交聯的聚甲基丙烯酸-2-羥乙酯為第一網絡、聚乙烯醇為疏松的第二網絡，添加聚吡咯-錨定纖維素納米纖維復合物制備納米復合水凝膠。其中通過Fe3+配位鍵、分子之間氫鍵以及雜環間的疏水作用和多次凍融循環，產生了穩定的多孔結構和互穿網絡，使得該水凝膠具有較好的強度和韌性。通過離子相互作用形成的水凝膠具有良好的離子導電性、抗疲勞性、環境響應性和自愈能力，然而，力學性能差和制備工藝復雜仍然是阻礙該水凝膠進一步應用的主要問題[77]。氫鍵可以大大提高水凝膠的自我修復能力，然而，由于氫鍵在水環境中通常不穩定，因此通過氫鍵作用得到的水凝膠的利用率通常較低[78]。采用凍融法可以通過控制冷凍時間、溫度、循環次數和聚合物組分的含量，獲得具有不同孔徑、機械強度、形態或其他特性的水凝膠[79]。疏水相互作用是一種強而穩定的物理相互作用，通過化學或物理方法將疏水單元摻入水凝膠中，可以改善水凝膠的力學性能[80]。蛋白質如明膠、膠原蛋白、絲素蛋白、基質膠等，可通過非共價鍵相互作用、溫度和相變等條件發生變化，形成蛋白質或多肽水凝膠[33]。Cao等[81]將巰基化透明質酸和膠原蛋白I共混組成雜化水凝膠，其中巰基的自交聯和膠原蛋白I的物理交聯可調節雜化水凝膠的力學性能、黏度和抗降解性能，進而調控細胞擴散速率和形態變化，從而影響軟骨分化。

3.4.2 化學交聯

目前，大多數水凝膠是通過化學交聯制備的?；瘜W交聯水凝膠通常具有良好的力學性能和更強的穩定性，主要的化學反應包括共軛反應、自由基聚合反應和酶促反應。其中共軛反應可以在相對溫和的條件下進行，包括邁克爾加成反應、希夫堿反應和迪爾斯-阿爾德加成反應，是目前交聯水凝膠的熱點方法[82]。Hou等[83]以二硫蘇糖醇為交聯劑，使α-環糊精與丙烯酰基封端的聚乙二醇進行自組裝，通過邁克爾加成反應合成了一種新型的三維交聯水凝膠。其中包合物的通道型結晶結構在共軛過程后仍保留在水凝膠網絡中。該水凝膠具有較好的生物降解性和穩定性，可作為藥物控釋載體和可注射組織工程支架。加熱、紫外光輻射、高能輻射、電解和等離子體可引發該水凝膠產生自由基，且可利用其不飽和官能團或光敏官能團在熱或光的作用下進行自由基聚合或交聯，形成共價鍵。該水凝膠通常可用于深層傷口愈合治療，結構穩定且易于調控[84]。然而有毒的光引發劑、形成的自由基和紫外線會對嵌入的細胞造成傷害并導致細胞死亡。酶促反應形成的水凝膠是由谷氨酰胺轉氨酶、酪氨酸酶、脲酶和辣根過氧化物酶等酶催化天然聚合物交聯而成的，這些酶可防止水凝膠生物活性損失和快速凝膠化，且不產生有害物質[85]。

4 光熱響應性水凝膠的應用

近年來，光熱響應性水凝膠在組織工程領域被深入研究，得到了廣泛的應用。本節進一步總結了近幾年部分光熱響應性水凝膠的研究成果(表2)，結合最新實驗案例，討論了光熱響應性水凝膠的不同用途以及功能實現效果。

表2 近幾年部分光熱響應性水凝膠的研究成果

4.1 作為敷料動態調控微環境

傷口敷料傳統上用于保護傷口和促進愈合。但目前由于功能擴展，迫切需要一種既能作為保護屏障又能促進傷口愈合過程的新型智能敷料。水凝膠因為其含水量高，且在透氧的同時也能阻隔細菌、降低炎性反應等特性，在傷口敷料方面應用廣泛[101]。而光熱響應性水凝膠不僅具有傳統水凝膠的優勢，還能實現遠端清潔控制，進而成為了十分具有競爭力的生物材料。Jin等[102]制備了以MXene納米纖維為核心、多巴胺-羥基磷灰石水凝膠為殼的血管生成促進和瘢痕預防創可貼，如圖7所示。該系統中二烯丙基三硫化物的連續釋放產生了H2S，可成功誘導巨噬細胞極化成M2-lile表型，調節免疫微環境并抑制傷口部位的過度炎癥反應，從而有利于皮膚細胞的增殖，促進傷口愈合。Zhang等[103]利用殼聚糖/藻酸鹽水凝膠負載釋放NO、Ca2+和Si4+的納米顆粒，并將該復合水凝膠應用于小鼠皮膚缺損模型，結果表明，在近紅外光照射下，該復合水凝膠可提供合適的微環境來加速傷口愈合，具有調節炎癥、促進成纖維細胞增殖和刺激血管生成的功能。

圖7 MNFs@V-H@DA的制備過程和傷口愈合過程[102]

4.2 作為載體控制藥物釋放

由天然衍生/合成的聚合物制備的水凝膠具有較高的生物相容性、較低的毒性和環境友好性，并且對水溶性小分子具有良好的通透性，可保持載入物質的活性[38]。而且光熱響應性水凝膠可通過近紅外輻射改變形狀，從而控制藥物的遞送，增強藥物的靶向治療。Zelikin等[87]通過在聚乙烯醇水凝膠中摻雜金納米顆?；蛴袡C光熱染料，利用近紅外光照射加熱的方式遠程控制該水凝膠的液化，控制藥物的釋放，如圖8所示。在光照條件下，該材料在幾秒內即可發生液化。通過脈沖近紅外激光可以控制該水凝膠負載的小分子或者蛋白質(如酶)的釋放，為控制聚合物給藥提供了一個新方向。He等[104]通過將DNA水凝膠與基于Ti3AlC2的MXene作為光熱劑和阿霉素作為負載化療劑，建立了高效光熱-化療協同癌癥治療平臺，在此平臺上，該水凝膠具有優異的生物相容性和可注射性，以及可降解的3D網絡結構，因此可作為載體，在動態近紅外光下觸發可編程的凝膠-溶液轉換，進行藥物輸送，并且在溫和的高溫條件下增強生物體的藥物攝取。Qu等[105]通過在聚N-異丙基丙烯酰胺二元聚合物鏈中引入聚離子液體鏈，合成了一種光熱調控的智能水凝膠，該智能水凝膠可作為近紅外光/溫控藥物載體，實現高效可視化藥物釋放(30 min內40.8%的藥物釋放率)，并且還表現出優異的應變傳感靈敏度、較短的響應時間和較高的耐久性，為創后組織修復提供了一種新的治療方案。

圖8 近紅外激光控制水凝膠釋放負載物機理圖[87]

4.3 作為支架促進組織再生

天然細胞外基質較差的力學行為和不可預測的生物降解性能極大地限制了它們的生物應用潛力，導致對不同功能的合成支架的需求量大大增加。而水凝膠由于其優異的溶脹性能和與軟組織的相似性，被認為是最有前途的替代材料。并且光熱響應性水凝膠作為細胞與組織生長和功能的支持結構，具有其獨特的優勢。

4.3.1 骨再生

骨修復是一個復雜的過程，涉及成骨干細胞、細胞外基質及骨誘導因子等之間的復雜聯系。傳統的骨移植是治療骨缺損的普遍方法，然而受限于供體短缺、恢復時間較長、受感染風險較大等因素，鑒于光熱水凝膠具有較高的水分、較強生物相容性、結構可控等優點，并且可注射水凝膠與不規則缺損組織的修復高度契合，因此，以水凝膠為支架的組織工程策略逐漸興起。Ni等[106]制備了載血小板衍生生長因子的光聚合ZIF-8-PDA納米顆粒的膠原水凝膠，并且通過實驗表明，該復合支架具有優異的抗菌性能和良好的體外骨傳導性能。

4.3.2 血管再生

創后或術后引起的缺血，需要及時恢復血液供應，這對于修復受損組織至關重要。隨著再生醫學的發展，研究發現，溫和的加熱可誘導血管內皮細胞的增殖從而增加損傷部位的血管密度，而血管生成又可以為新生組織提供氧氣和營養，從而有助于加速傷口愈合和骨骼修復[107，108]，如圖9所示。因此光熱響應性水凝膠成為了負載生物活性分子的理想材料。Liu等[109]開發了一種雙交聯水凝膠，可被近紅外激光觸發的同時還結合光熱效應和NO釋放，協同治療細菌感染創面，釋放的NO不僅可以增強水凝膠的抑菌作用，而且可以同時促進膠原沉積和血管生成，加速傷口愈合。

圖9 傷口愈合和傷口血管生成的細胞和分子成分概述圖[108]

4.3.3 神經再生

外周神經損傷常導致神經傳導障礙、慢性疼痛、癱瘓等，自體神經移植盡管是修復外周神經的常用手段，但仍受限于術后反復、供應受限、感覺恢復不完全等問題。目前神經組織工程利用天然或合成材料制備支架用于促進神經軸突生長，光熱響應性水凝膠由于結合了優異的韌性、自愈性和敏感性，成為支架材料的首選。研究人員設計了一種具有良好外周神經功能的光熱響應性可伸展的導電水凝膠。當機械延伸的時候水凝膠具有傳導耐受性，因此適用于縫合在運動中意外牽拉的神經。實驗結果顯示，該水凝膠適用于嚴重外周神經損傷的修復，尤其是超過10 mm的神經缺失，并且還意外發現，利用近紅外光進行照射時，該水凝膠的導電性會增加[88]。Li等[110]采用表面改性技術和原位自由基聚合法制備了一種含有多巴胺鹽酸鹽修飾的多壁碳納米管的光熱響應載細胞自卷曲聚N-異丙基丙烯酰胺水凝膠，該光熱響應性水凝膠的三維空間結構可更好地調控施旺細胞的生長，并釋放更多的神經生長因子，顯著上調與髓鞘和細胞骨架相關的基因表達，進一步表明光熱響應性水凝膠在神經再生領域具有較大的發展潛力。

4.4 腫瘤治療

癌癥治療至今為止仍是人類社會面臨的棘手問題，手術切除是惡性腫瘤的主要治療方法，另外化療、放療等也能一定程度上抑制癌癥的發展，但對正常器官和組織會造成原發性損傷，并存在復發、術后耐藥性等問題。近年來具有非侵入、高效以及低毒特性的光熱治療受到了廣泛關注，光熱響應性水凝膠結合近紅外光輻射和智能水凝膠實現遠程環境響應性控制，減少了藥物的副作用，展現出了該方法在腫瘤領域的應用前景。Xu等[55]利用3D打印平臺，設計了一種由海藻酸鈉、結冷膠和聚多巴胺納米顆粒組成的混合生物墨水，制備出了海藻酸鈉-結冷膠@聚多巴胺雜化水凝膠支架，如圖10所示，實驗證明該水凝膠支架不僅可以在光熱觸發下加速藥物釋放，實現光熱聯合化療抑制腫瘤細胞增殖和手術切除后的復發；而且還增強了人臍靜脈內皮細胞的增殖和遷移以及組織長入，促進了手術后的傷口愈合。

圖10 SA-GG@PDA混合水凝膠支架涂覆阿霉素進行光熱治療[55]

5 結 語

在組織工程領域，水凝膠可作為藥物的緩釋載體、傷口敷料來調控受損組織的微環境，也可通過將它制成支架應用于組織再生。本文綜述了近年來光熱水凝膠的研究進展，首先介紹了各類智能水凝膠的分類及應用，其次討論了光熱響應水凝膠的光熱轉換材料、水凝膠基質、光熱光源和構建方法，最后介紹了光熱水凝膠近些年在組織工程領域的應用。

水凝膠作為組織再生的支架材料，可調控新生細胞生長，引導再生的組織從近端延伸到遠端，光熱響應的特性也愈發促進了水凝膠的開發，因此近年來，具有光熱效應的水凝膠越來越受到關注，并廣泛應用于傷口愈合和組織再生。隨著納米科學和高分子材料技術的快速發展，光熱納米材料在腫瘤治療中的研究取得了重大進展，光熱療法可用于抗菌和抗腫瘤治療，因為溫和的局部熱量可以模擬溫泉效應，促進細胞增殖并加速傷口愈合。納米材料的光熱療法不僅可以直接殺死腫瘤細胞，逆轉耐藥性，還可以增強免疫反應。近紅外光誘導的熒光成像也可用于動態和無創地跟蹤組織再生。值得注意的是，或許可以在近紅外光照射產生高溫的條件下，設計研發新型光熱材料，用于腫瘤治療。

光熱水凝膠發展至今普遍呈現出智能、無害、復雜的趨勢，但在此過程中，也出現了一些引人深思的問題：如何準確控制水凝膠的物理化學性質，實現時空調控；如何根據動物體內環境的動態變化實現動物體內動態智能給藥？如何制備不含潛在毒性的交聯劑的水凝膠；如何盡可能簡易地綜合各種材料的優點并加以應用等。目前正在進行的研究重點是通過改變水凝膠的添加物類型和種類，來提高水凝膠的生物和力學特性，制備光熱響應水凝膠；通過具體地研究這些光熱水凝膠所構建的微環境，并利用這些光熱水凝膠的有效功能來進一步運用于臨床。

盡管目前已經開發出許多措施來合成光熱水凝膠，但目前光熱水凝膠的研究仍然存在部分缺陷，如大多數光熱水凝膠的工作溫度需要達到50 ℃，甚至高達60 ℃，而人體組織細胞難以承受如此高溫，會對組織造成不可忽視的損傷。因此，開發接近人體溫度的水凝膠，并應用于臨床，還需深入研究。在未來的臨床治療中，還應該根據不同患者不同部位的耐受極限，更準確地區分照射時間和照射部位。此外，一些光熱水凝膠的制備依賴于有毒的交聯劑，如戊二醛，這也可能對生物體產生損傷。更多具有良好生物安全性的生產方法，如物理交聯，應用無毒化學交聯劑或充分去除化學交聯劑的制備方法，可能需要進一步的研究和實踐。

綜上所述，光熱響應性水凝膠具有優異的組織再生和腫瘤治療效果，可以促進組織修復和腫瘤治療。未來，研究人員可以深入利用光熱響應性水凝膠的優勢，將它納入其他治療方法中，以克服缺點、拓寬應用范圍、提高療效、降低成本。

隨著新技術的興起，未來將發展出更先進的光熱水凝膠移植物。首先是在合適的條件下(溫度溫和、照射強度低、照射時間短、較長的光波等)建立高效的抗菌處理體系。其次，需要開發生物安全性更高的光熱劑，特別是生物可降解的光熱劑和水凝膠基質。再者，能夠靶向遞送抗菌藥物的微/納米水凝膠系統也具有重要意義。結合臨床應用，開發透明光熱水凝膠對于實時觀察和診斷傷口狀態也是必不可少的。此外，光熱水凝膠可以響應細菌刺激并輸出相應的指示信號，這將是一個不落窠臼的新興方向。