复旦邓勇辉/上海大学苏佳灿综述：骨组织工程水

【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（Fe3O4 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。

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