综述《AFM》复旦邓勇辉/上大苏佳灿:用于骨组织工程水凝胶设计的最新进展

【 科研摘要 】

骨相关疾病由于其复杂性和特异性而对人类健康造成了严重威胁。幸运的是，由于具有高含水量和功能特性的独特3D网络结构，新兴的水凝胶被认为是骨组织工程（如修复软骨损伤，颅骨缺损和关节炎）最有希望的候选者之一。 最近， 复旦大学 邓勇辉 /上海大学 苏佳灿 教授团队 在《Advanced Functional Materials》上发表了题为 Recent Advances in Design of Functional Biocompatible Hydrogels for Bone Tissue Engineering 的综述。该 文介绍了 各种设计策略和合成方法（例如3D打印技术和纳米颗粒复合策略），以制备具有可调节的机械强度，良好的生物相容性和优异的生物活性的植入水凝胶支架，以用于骨骼再生。 基于生物相容性材料（例如胶原蛋白，透明质酸，壳聚糖，聚乙二醇等）的可注射水凝胶在微创手术中具有许多优势，包括可调节的理化特性，填充不规则形状的缺损部位，按需释放药物或生长响应不同刺激的因素（例如，pH，温度，氧化还原，酶，光，磁等）。此外， 该 文还讨论了基于微/纳米凝胶的药物递送系统，并简要介绍了其在骨疾病（例如类风湿性关节炎，骨关节炎，软骨缺损）的应用中使用的众多有前途的设计。特别地，在这篇综述中还总结了可诱导骨组织再生的水凝胶支架的几个关键因素（例如，机械性能，孔径和活性因子的释放行为）。预计在临床领域将利用生物活性水凝胶的先进方法和创新思想，并提高患有骨损伤的患者的生活质量。

【图文解析 】

这篇综述将简要概述基于生物相容性材料的各种功能性水凝胶，用于细胞培养，智能药物递送和骨组织再生（图1）。强调并评论了凝胶的各种设计概念，交联方法，控释模型和不同的仿生策略；实际上，它们在将植入的或可注射的水凝胶用于骨组织工程领域中至关重要。

图1 已经设计了基于生物相容性材料的不同水凝胶系统，以在骨组织工程中获得理想的治疗 ： a）使用3D打印技术，多交联策略或纳米颗粒复合设计，通过外科手术将各种水凝胶支架植入骨缺损中；b）由于溶胶-凝胶特性，快速形成并完全填充缺损部位，可注射的水凝胶可以轻松地注入骨损伤部位并在紫外线，温度变化或磁场的外部条件下形成仿生支架 影响。c）在纳米技术应用领域中，微米级/纳米级凝胶在骨组织工程中也获得了广泛的应用，它具有两个作用途径。一种方法是通过静脉内注射使微/纳米颗粒到达病变处。另一种方法是通过骨缺损中相互连接的微/纳米凝胶形成可注射的水凝胶支架。

2.1 3D打印技术水凝胶支架

已经开发出许多策略来制造水凝胶支架，以有效治疗大的骨缺损，例如颅骨缺损，颅面骨折和软骨下骨损伤。如图2a所示，PCL颗粒首先在120°C熔化，然后通过3D生物打印机打印。

图2 在植入的水凝胶支架中使用的几种策略。 a）骨软骨缺损模型中SAPH涂层PCL支架的示意图，以及SAPH肽链之间的相互作用以及SAPH与PCL之间可能的相互作用。经许可转载。b）基于3D打印技术的藻酸盐/聚丙烯酰胺双网络水凝胶设计用于结合颅骨切除术和颅骨成形术的一级手术。c）通过将由胶原蛋白和羟基磷灰石（Col/HA）组成的复合水凝胶支架与双膦酸酯（BP）衍生的脂质体相结合，开发了一种药物输送系统，为骨骼再生和修复提供了持续的药物释放平台。d）可交联的嵌段共聚物胶束（BCM）的合成以及BCM交联的基于PAAm的水凝胶的形成。疏水的PnBA链形成分离的核，沿着亲水性PAA壳的乙烯基基团使Am自由基聚合，形成BCM交联的水凝胶。e）受贻贝线中粘合剂化学的启发，将氧化铁纳米颗粒（Fe 3 O 4 NPs）掺入了邻苯二酚改性的聚合物网络中，以通过在Fe3O4 NP表面通过可逆金属配位键交联的水凝胶。

在兔模型上进行的体内研究表明，缺损软骨周围的3.0 wt％SAPH涂层PCL支架被新生软骨细胞ECM生长因子取代，随后为细胞的生长和分化提供了仿生环境，最终加速了软骨组织的再生和生长。防止疾病进一步恶化（图3）。

图3 植入微骨折CTR，PCL支架，1.5％SAPH涂层的PCL支架和3.0％SAPH涂层的PCL支架后，在a）8和b）12周时，缺损中新骨形成的总体图像和micro-CT 2D图像。a1，b1）分别在第8周和第12周时观察各组骨软骨伤口部位的俯视图。a2，b2）骨软骨伤口部位的矢状面，用于观察软骨的愈合情况。每组分别在8周和12周时进行3D重建的a3，b3）矢状面视图和a4，b4）冠状面视图的Micro-CT 2D图像。

纳米粒子水凝胶的制备经历了两个简单的过程（图4）：首先，制备了具有mPEG-COOH的稳定的NP，其次，在50°C非缓冲介质中，通过混合多巴胺修饰的4形成了自组装复合水凝胶。玻璃瓶中的armPEG和Fe 3 O 4 NP。

图4 a）聚合物4cPEG和mPEG-COOH的结构。b）Fe3O4纳米粒子交联水凝胶（NP凝胶）的制备程序示意图，以及每个阶段样品的代表照片。从左至右：Fe3O4 NP干粉，凝胶组装前在水分散液中稳定的Fe 3 O 4 NP，与4cPEG组装后获得的自立式固体水凝胶，以及所得凝胶的磁引力。

3可注射水凝胶支架

可注射生物材料具有微创手术的优势，在骨再生中获得了广泛的利用。与传统的支架相比，可注射的水凝胶具有许多优势，包括在填充不规则缺陷方面无与伦比和不可替代，改善了骨损伤患者的依从性，并促进了原位组织的再生和再生。各种生物材料都可以用作开发可注射水凝胶的理想物质，例如透明质酸，硫酸软骨素，胶原蛋白，壳聚糖和多肽（图5）。根据体内生物评价的相应结果，它们都具有良好的生物相容性和生物降解性。

图5 各种透明质酸，硫酸软骨素，壳聚糖，聚乙二醇和聚乙烯醇等生物材料都可以用作骨组织工程用可注射水凝胶的理想物质。

3.1基于胶原蛋白的可注射水凝胶

胶原蛋白是一种纤维蛋白，由于其特殊的理化性质和结构特点，已被广泛用于生物医学领域。Lu等人设计了一种新型的用于软骨修复的可注射胶原蛋白水凝胶，他们采用结合的相容CD-NPs作为活性成分，以Genipin交联剂为基础负载到胶原蛋白上，从而制备了一种灵活的可注射水凝胶-胶原蛋白-Genipin-CD-NPs（CGN）。但是，仅添加交联剂genipin很难获得良好的机械性能，这需要满足软骨的支持条件。由于genipin和CD-NPs的双重交联反应，这种GCN水凝胶呈现出坚韧的刚度。这种有趣的可注射水凝胶的制备过程如图6所示。

图6 胶原蛋白-genipin-碳点（CGN）纳米复合水凝胶的制造过程和实现的一般示意图。 首先，碳点纳米颗粒（CD NP）通过生物相容性交联剂Genipin与胶原蛋白连接。其次，由于CD NP的缀合，改性胶原蛋白形成了具有增强的刚度的可注射水凝胶。第三，在水凝胶中加载BMSCs并注入具有软骨缺损的关节中。注入水凝胶后，立即每隔一天对植入区域施加3分钟的激光（808 nm）（分别用于异位和原位软骨再生的激光功率密度分别为5.6和8.3 mW cm -2 ） 触发光动力疗法（PDT）以产生活性氧（ROS）。刚度的增加和ROS的产生均有助于BMSC的软骨形成分化，并因此促进体内软骨的恢复。

3.4其他基于材料的可注射水凝胶

凭借其良好的生物相容性，良好的稳定性和两亲性，PEG已获得食品和药物管理局（FDA）的批准并广泛应用于生物医学领域。椎间盘（IVD）是一种软骨组织，在抗性方面起着关键作用机械应力。椎间盘退变（IVDD）与基质金属蛋白酶（MMP）的过表达直接相关，这将加速髓核环境中ECM的分解代谢并最终导致IVDD。此外，IVD具有关键的承重结构，它可以连接两个相邻的椎骨。由于IVD的动态加载特性，对于IVDD的局部治疗，需要具有灵活的药物输送行为，合适的弹性模量和自愈特性的可注射水凝胶系统。根据这种设计策略，Chen等人开发了一种基于4-armSH-PEG的多功能水凝胶系统来治疗该疾病（图7）。

图7 用于IVDD再生的基因水凝胶微环境。 a）基因-水凝胶微环境的构建。b）将Agomir @ PEG注入椎间隙，以构建基因-水凝胶微环境。c–e）基因水凝胶微环境提供的多功能功能，与IVDD的再生相匹配。

4功能性药物输送工具-微/纳米凝胶

由于近几十年来纳米技术的飞速发展，各种各样的纳米材料已经在各个领域中使用，包括脂质体，纳米胶束，纳米颗粒和纳米/微凝胶。

4.2纳米凝胶部分

纳米凝胶是通过物理交联或化学交联水性网络结构制成的纳米级球形水凝胶。纳米凝胶具有良好的生物降解性和可控的机械性能，具有一系列的水凝胶特性。缺氧是RA的微环境中的一个关键特征，这是由于炎症，氧气输送的障碍和微血管修复所致。为了减少炎性微环境中的氧化应激，在炎性区域出现了许多抗氧化剂，例如谷胱甘肽（GSH）。因此，这意味着我们可以使用这种策略来创建用于RA治疗的刺激响应性纳米凝胶载体。与mPEG-NH2连接的具有还原反应的多肽纳米凝胶被制备用于在RA的炎性区域智能释放甲氨蝶呤（MTX）（图8c）。

图8 纳米凝胶/微凝胶在骨组织工程中的设计和应用。 a）用于治疗RA的NO-Scv凝胶的制备和应用。向RA模型小鼠关节内注射NO-Scv凝胶可通过清除NO减轻RA。b）双重相互作用纳米粒子（D-NPs）具有疏水性和阴离子性带电部分。D-NP和BMP-2通过疏水和离子相互作用形成紧密的纳米复合物 。 c）NG / MTX在CIA治疗中的合成，治疗及简要作用机理示意图。

Seo等人使用承受双重相互作用力的热敏聚合物纳米凝胶制备了可注射且持续释放的BMP-2释放水凝胶。在这项研究中，热敏性聚磷腈是水凝胶的骨架材料，疏水性异亮氨酸乙酯和亲水性聚乙二醇被引入聚磷腈中以形成双相互作用的聚合物纳米颗粒（D-NP），BMP-2难以吸收。D-NP的双重相互作用表面（图8b）。BMP-2-D-NPs最终由疏水部分和离子相互作用基团构建，它们不仅可以在体外执行BMP的活性，而且还可以在体内形成原位纳米复合水凝胶（图9）。在小鼠颅骨顶部注入BMP-2-D-NPs纳米复合物，然后感测体温，原位形成水凝胶支架，这种新颖的策略提出了可持续的BMP-2释放行为，并在体内产生了新的骨层 。

图9 a）具有两亲性和羧酸部分的聚有机磷腈的化学结构。合成的聚合物在水性条件下是自组装的。b）通过TEM图像和DLS识别的自组装NP; c）两种NP溶液随温度变化的粘度变化（NP浓度：15 wt％）。

参考文献：doi.org/10.1002/adfm.202009432

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