《AFM·综述》清华大学余家阔教授 ：先进水凝胶材料在半月板修复中的应用！

摘要

再生医学的基础是对替代、修复、重建或再生人体内不同组织和器官的假设和方法的研究和进展。然而，半月板中心部薄，整体呈游离状态，导致传统疗法促进半月板和功能恢复的效果较差。为克服这些局限性，医用型水凝胶的发开为半月板再生修复提供了一个潜在的解决方案。水凝胶因其具有良好的生物相容性和可修饰性，可安全植入体内并有效调节半月板损伤部位细胞和周围微环境的病理生理过程。

清华大学长庚医院余家阔教授团队综述了不同植入式医用水凝胶在半月板再生和修复中的应用。 首先介绍了半月板的结构和生理功能。重点介绍了不同水凝胶在半月板修复当中的应用。此外，还介绍了构建水凝胶植入物的不同材料。最后，总结了水凝胶在半月板修复中存在的问题和面临的挑战。北京大学第三医院博士生李超、邓荣辉是共同第一作者，清华大学长庚医院余家阔教授是通讯作者。该论文研究单位为北京大学第三医院。该研究工作受到了国家自然科学基金的资助。

图1 半月板修复用水凝胶构建示意图

该文首先介绍了半月板的结构和生理功能。重点介绍了不同水凝胶在半月板修复当中的应用。此外，还介绍了构建水凝胶植入物的不同材料。最后，总结了水凝胶在半月板修复中存在的问题和面临的挑战。

正文概要

半月板作为膝关节腔内重要的缓冲结构，常因急性膝关节损伤或关节退行性病变发生继发性撕裂或磨损，造成关节肿胀和活动障碍。作为常见的运动性损伤，全球每 10万人中就有66个人存在半月板撕裂。不幸的是，来自关节囊和滑膜的动脉网仅提供半月板周缘10%～30%纤维的血运，且半月板中央部没有血运，仅靠关节液的渗透来营养，因而损伤后自我修复能力有限（图2）。再生医学是指利用有效的生物学及工程学方法重新创造结构或功能损害的组织和器官。随着再生医学研究的进展，组织修复与再生医学将在传统治疗技术方法不断完善的基础上，展现分子、细胞、组织和器官不同层次生物高科技修复工程的划时代医疗水准。

图2 半月板解剖示意图

要点1：半月板修复水凝胶材料

大多数用于骨或软骨再生的生物材料包含天然或合成的有机聚合物化合物。选择合适的生物材料对于实现半月板的完全再生修复至关重要。卓越的再生修复材料经常表现出生物活性特性。这是由于结构对材料特性的影响，例如可能影响某些细胞的迁移、粘附和分化的表面化学基团。功能细胞的增殖以及干细胞的分化和迁移都会在一定程度上影响半月板再生修复的效果。选择最具生物活性的材料，同时优先考虑生物安全至关重要。水凝胶作为一种能够模拟天然半月板组织成分的生物材料，由于其强大的可调节化学性质、优异的生物相容性和可降解性，越来越多地被认为是开发仿生半月板的新型材料。水凝胶可分为天然高分子水凝胶和合成高分子水凝胶。天然材料具有卓越的生物相容性，并且易于获得且具有成本效益。相比之下，合成材料具有更高的稳定性、降低的降解敏感性以及增强的化学可调性。制备医用水凝胶的材料一般有透明质酸、明胶、壳聚糖、丝素蛋白和海藻酸钠等（图 3）。

3.1 透明质酸

透明质酸是临床医学和生物工程领域的明星材料。由于其优异的降解性和高吸水性，透明质酸是目前最受欢迎且安全的医疗植入物。透明质酸是人体许多组织细胞外基质的主要成分，主要存在于软骨中。

3.2 明胶

明胶是一种与胶原蛋白同源的蛋白质，通过部分水解胶原蛋白获得。由于它源自胶原蛋白，其变形过程降低了免疫原性，从而确保了良好的生物相容性。明胶保留了胶原蛋白中的许多生物活性表位，包括 RGD 蛋白。此外，它在体内可以进行简单的降解，产生多种易分解的肽。

3.3 丝蛋白

丝蛋白主要从蚕丝中获得，是由多种氨基酸组成的聚合多肽，这些氨基酸通过二硫键连接，形成疏水性（H）和亲水性（L）肽链。丝蛋白分子的疏水性H链和亲水性L链通过二硫键连接。H链和L链独特的氨基酸序列可实现一系列二级构象，这些构象可以相互转化并与丝蛋白材料的溶解度、降解、化学稳定性和机械性能相关。

3.4 壳聚糖

壳聚糖是通过将天然多糖甲壳素部分脱乙酰而产生的。虽然壳聚糖的明确特征尚未确定，但通常认为它是 70% 的脱乙酰甲壳素。值得注意的是，壳聚糖的分子量很大程度上取决于脱乙酰化程度；脱乙酰度越低，分子量越高。分子量的增加有助于提高壳聚糖的化学稳定性和机械性能，但也会降低其在水或其他溶剂中的溶解度。

3.5 海藻酸钠

海藻酸钠是一种天然多糖，存在于褐藻中，特别是海带或马尾藻中，源自碘和甘露醇。与其他替代品相比，它是一种优选材料，因为它具有广泛的可用性、低成本和较低的细胞毒性。

3.6 复合材料

众所周知，水凝胶，例如胶原蛋白或透明质酸，具有一定程度的生物相容性，但机械性能明显较差。相比之下，合成材料往往具有优异的机械性能，这是它们最显着的特征，并将其与天然聚合物材料区分开来。这些材料通常表现出优异的机械性能，这使它们有别于天然材料。

图3 基于透明质酸、明胶、丝素蛋白、壳聚糖和海藻酸钠的水凝胶半月板支架

要点2：载体型水凝胶在半月板修复中的应用

目前，半月板再生修复策略主要分为两种：①通过药物或细胞因子来诱导损伤半月板组织再生。②通过再植入半月板组织、细胞或相关移植生物材料来替换、填充受损部位。基于这两种策略，我们可以综合制备一种充当运送载体且具有生物活性的复合水凝胶植入物。一方面，通过水凝胶载体携带药物或细胞因子如抗炎药、促生长因子等进入到局部受损部位，有效抑制半月板细胞凋亡，增强半月板细胞活力，同时诱导干细胞分化和迁移，促进半月板细胞再生。另一方面，水凝胶材料作为良好的种子细胞支架，携带治疗用干细胞或半月板功能细胞，原位移植完成半月板修复（图 4-6）。

图4 药物递送型水凝胶半月板支架

图5 细胞因子递送型水凝胶半月板支架

图6 细胞递送型水凝胶半月板支架

要点3：力学增强型水凝胶在半月板修复中的应用

水凝胶材料天生质软，力学强度较低，很难实现较强的力学负载和承重功能。与人体半月板相似的刚度和力学强度，是水凝胶支架的基本前提。目前，加强水凝胶支架的机械性能的主流策略是通过掺入其他聚合物或纳米颗粒构建一种新的复合水凝胶。也有报道显示，增加前驱溶液的粘度可以改善3D打印水凝胶支架的力学特性。此外，双网络水凝胶和离子交联水凝胶等高强度新型水凝胶也逐渐走进人们视野。这些高强度水凝胶匹配膝关节等承重人体结构的力学载荷要求，较好地克服传统水凝胶的弱力学特性。不仅如此， 3D打印技术已经和新型高强度水凝胶支架捆绑在了一起，联合应对制备生物承重材料的挑战（图 7）。

图7 力学增强型水凝胶半月板支架

要点4：水凝胶在半月板修复中的挑战与展望

半月板在下肢的机械传导中起着至关重要的作用，其撕裂或损伤可能会严重影响运动功能并加剧骨关节炎。水凝胶材料在半月板修复方面的最新进展导致了该领域的实质性发展。随着对半月板结构和功能的深入了解，以及3D打印等制备方法和水凝胶等新型功能材料的技术进步，半月板缺损的再生修复已进入组织工程的新阶段。目前，3D打印可以实现弯液面的各向异性特性。同时，具有优异机械特性的高强度超分子聚合物水凝胶可以保护软骨免于降解，从而增强骨关节炎的发生。一系列复杂材料的应用为临床医生提供了额外的有益选择。半月板修复技术正在从传统的修复和切除转向组织工程重建。新型复合水凝胶在半月板修复方面具有明显的优势，但也有一些局限性。

首先，通过3D打印生产的半月板支架必须符合临床标准和质量控制要求。目前，大部分研究仅限于动物实验，缺乏大量临床试验数据来验证人体安全性和有效性。未来仍可能出现过度的免疫原性和不必要的副作用。因此，应重点开发与人体生物学相容、响应人体微环境特征的个性化支架。此外，应仔细考虑不同材料的适应症和操作方法，以避免产生不良影响。一些水凝胶已在临床上用于药物输送，然而，为半月板损伤修复提供最佳功能的水凝胶支架尚未开发出来。超分子水凝胶和DNA水凝胶的出现为此目的带来了广阔的前景。

其次，复合水凝胶支架尚未满足高性能、完全覆盖半月板仿生支架的标准，包括负载、生物活性、机械强度和细胞粘附。装载药物或细胞的水凝胶通常需要表面修饰或环境响应，例如温度。水凝胶侧链部分的物理化学修饰可能仅实现某些官能团和游离末端的结合，从而导致功能优化的特异性。此外，水凝胶支架优异的机械性能依赖于其他聚合物或特定的制备方法。通过掺杂包含多种成分可能会改变既定的改性效果，使复合水凝胶不太可能实现多功能修复目标。未来，必须在水凝胶支架的设计中综合孔隙率、交联、细胞粘附、毒性和成本，以确保其最佳的愈合能力。

第三，某些具有仿生特性的3D打印半月板支架无法通过微创注射插入膝关节腔。由于其所需的形态，这些支架的形状和尺寸很难发生变形。因此，经常需要进行开放手术来插入受影响的区域。这种方法不可避免地会带来一些副作用，其中可能包括失血和不适。剪切变形水凝胶是可注射的，但它们缺乏必要的机械强度来满足膝关节的承重需求。每种制备技术都有其独特的特点，也有其缺点。因此，新的支架制备方法的进步、新的制备技术的发现对于增强半月板的修复和再生至关重要。

第四，膝关节腔内的关节液会抑制水凝胶支架上负载的药物、细胞和细胞因子的有效性。此外，膝关节腔的微环境复杂，体液流动、炎症刺激或细胞迁移都会影响水凝胶支架的生物活性。降解和释放速率可能受到微环境的物理化学性质的影响，这可能不完全可控。因此，这可能导致药物浪费或原位浓度不足，从而造成不良情况。因此，探索设计具有受控动力学和长期原位保留效应的水凝胶支架的方向是有价值的。

图8再生水凝胶半月板支架的制备

参考文献：

https://doi.org/10.1002/adfm.202312276

清华大学长庚医院骨科运动医学中心主任

清华大学长聘教授

更多综述好文推荐：