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不同于金属陶瓷等种植材料的惰性，优异的亲水性和三维多孔结构使水凝胶材料不仅与人体有良好的亲和性，能为组织工程提供所需的生物学微环境，它还是药物等小分子的优良载体，在生物医学领域如组织工程中有着广阔的应用前景。

此外，水凝胶组分的多样性也为材料设计拓宽了思路，例如当水凝胶中添加能对外界刺激做出响应的成分时，原本“静止”的水凝胶就会像开关打开了一样变得活跃起来。

人体的许多生理信号如体温、pH是常见的刺激信号，如许多可注射水凝胶在体温下发生的溶胶与凝胶转化使其能通过注射而填充到不规则的骨缺损处，并与周围组织保持良好的贴合性。当水凝胶作为药物载体时，人体胃液肠液不同的pH值能调控药物的释放性能，保证药物更高效被吸收。此外，人体内的酶、活性氧等能参与代谢的物质也有一定的刺激响应性，从而赋予水凝胶特定的性能如抗菌性。而外部刺激如紫外光、声音、电磁等的刺激响应性常需要在水凝胶中添加特定成分来实现，如有光热性质的MXene、磁性的四氧化三铁纳米粒子等，施加刺激后能使水凝胶更集中在局部缺损区域高效骨实现修复过程。

本期EFL从刺激响应类别出发，将刺激响应的信号来源分为生物化学、物理及电磁能量三类，整理了10篇相关文献供大家学习参考，看安静的水凝胶如何瞬间充满活力。

Tips：刺激响应性水凝胶类别

类别

监测内容

生物化学信号

酶、pH、氧化还原剂

物理信号

温度、机械力

电磁能量信号

声、近红外光、紫外光、电、磁

1. 生物化学信号

文献一：ACS Applied Materials & Interfaces (IF=10.383)：负载SDF-1热敏性水凝胶响应牙龈菌蛋白酶并用于牙周组织原位再生；2021

原文内容：牙周炎是一种常见的口腔疾病，目前治疗牙周炎的方法包括龈下刮治、局部抗生素治疗、局部给药等，然而口腔活动如咀嚼、唾液流动和舌头运动会严重降低给药效率，同时食物残渣对牙周造成的细菌感染也使再生效果难以令人满意。为了得到更为理想的牙周药物递送体系，本文中作者以聚乙二醇二丙烯酸酯（PEG-DA）为支架，与二硫苏糖醇（DTT）及功能肽（FPM）通过迈克尔加成反应形成水凝胶（PEGPD），并负载基质细胞衍生因子（SDF-1）促进成骨分化。所形成的智能水凝胶（PEGPD@SDF-1）能响应牙龈菌蛋白酶并调控对抗菌肽（SAMP）的释放行为，有效抑制牙龈卟啉单胞菌的生长，创造低炎症环境，展现良好的抗菌能力；同时，智能水凝胶还能促进CD90+/CD34−基质细胞的募集，并诱导牙周膜干细胞的增殖、迁移和成骨分化。将PEGPD@ SDF-1注入大鼠牙周缺损部位后，水凝胶在体内能有效控制炎症并募集干细胞，促进骨原位再生，在口腔炎症的按需给药治疗方式中展现了良好的潜力。

图1 水凝胶的制备及抗菌、促进骨修复性能

原文链接：

文献二：Biomaterials (IF=15.304)：ROS响应水凝胶涂层改性肽通过组织免疫调节促进骨缺损血管化和骨整合；2022

原文内容：在骨科手术中，种植体与周围组织的骨整合能力对于种植效率有重要意义，良好的生物活性及适度的局部炎症反应有利于促进骨整合能力，而惰性表面及炎症反应失调会导致愈合时间更长甚至种植失败。因此，为了提高种植体的表面生物活性，本文中作者在钛基种植体表面通过硼酸酯键修饰了由苯硼酸改性的透明质酸（HA-PBA）和聚乙烯醇（PVA）复合水凝胶涂层，同时在钛基种植体表面通过阳极氧化技术所构建的纳米管结构，不仅能增加涂层与基体间相互作用力，还有利于负载胸腺素（Tβ4），提高组织损伤后的抗炎及抗纤维化作用，并促进巨噬细胞表型转化及损伤修复。基于硼酸酯键对活性氧（ROS）的响应降解性，改性后的种植体可以通过调节巨噬细胞的极化释放Tβ4来响应骨愈合过程的免疫反应，从而减少种植物周围纤维化的形成，促进骨缺损部位的血管化和骨整合。此外，即使在ROS含量较高的环境中，水凝胶涂层在7天后只出现轻微脱离的趋势，实验过程中仍能保持与基质间良好的粘附性。

图2 免疫调节促进血管化和骨整合的过程

原文链接：

文献三：Advanced Science (IF=17.521)：口服微/纳米水凝胶微球调控血管形成及骨代谢抑制骨损失；2023

原文内容：女性绝经后骨内血管形成及骨代谢失衡所造成的骨质疏松症是女性最常见的骨骼疾病之一，为了实现对这一疾病更便捷高效的治疗，本文中作者通过气体微流体技术和离子交联策略，以海藻酸（Alg）、壳聚糖（Cs）为原料，封装多面体低聚倍半硅氧烷基纳米粒子（PDAP NPs）后设计了一种能口服的微/纳米水凝胶微球（PDAP@Alg/Cs），其中与海藻酸结合的钙离子还能用来预防和治疗骨质疏松症。体外结果表明，PDAP@Alg/Cs水凝胶微球在酸性环境如模拟胃液中溶胀率更低更慢，在模拟肠液和结肠液中溶胀更明显，2小时内在模拟胃液中PDAP NPs释放率仅有16%，4小时内在模拟肠液中释放率却高达到80%，即使延长至24小时，也只有31%的PDAP NPs在模拟胃液中释放。同时，在释放过程中， PDAP@Alg/Cs水凝胶微球在模拟胃液中能基本保持完整结构，但在模拟肠液中逐渐解体甚至消失。因此，所制备的水凝胶不仅能在口服后实现药物缓释，水凝胶基质还能保护药物并减少在胃部的释放，以及在肠道中的粘附性、高吸收率和利用率。小鼠骨质疏松实验结果表明，PDAP@Alg/Cs水凝胶能通过激活HIF-1α/VEGF等信号通道促进血红素氧合酶表达并抑制破骨细胞相关基因的表达，以此抑制骨内血管生成及吸收，显著缓解骨流失及骨质疏松的情况。

图3 口服水凝胶微球用于抑制骨损失过程

原文链接：

2. 物理信号

文献一：Advanced Materials (IF=32.086)：MgFe-LDH纳米片智能热响应水凝胶控制释放生长因子用于骨再生；2023

原文内容：尽管负载生长因子（GF）的水凝胶材料在骨缺损修复中有良好的应用前景，但水凝胶的凝胶能力、力学性能及对GF的控释能力仍是材料构建中的难题。基于此，本文中作者将骨形态发生蛋白2 （BMP-2）功能化的镁铁层状双氢氧化物纳米片（MgFe-LDH）加入到负载血小板衍生生长因子BB（PDGF-BB）的壳聚糖/丝素蛋白（CS）水凝胶中，构建了一种智能可注射热响应水凝胶（CSP-LB），通过快速释放PDGF-BB并持续释放BMP-2实现高效的骨再生过程。其中MgFe-LDH的加入能将凝胶时间缩短至146秒，且溶胶-凝胶转变温度降低到32.7 oC，而流变结果表明水凝胶的力学性能也有显著提升。此外，水凝胶注入到缺损部位后能与周围组织精确贴合，并在37 oC水浴中快速固化。由于两种生长因子的连续释放及具有生物学活性的镁离子和铁离子的持续释放，CSP-LB水凝胶在体内和体外实验中均展现了良好的促血管生成能力和成骨性能，并在作用后显著提升碱性磷酸酶活性、细胞迁移率及新生骨组织体积和密度。

图4 水凝胶的制备过程

原文链接：

文献二：Advanced Science (IF=17.521)：基于振荡液流活化骨细胞裂解物的水凝胶用于调控成骨细胞/破骨细胞稳态并增强骨修复；2023

原文内容：骨细胞对于骨损伤后的修复有重要意义，但患病时细胞功能难以精确调控并长久保持，从而限制了骨细胞诱导成骨的效果。在本文中，作者设计了一种振荡液流（OFF）刺激培养细胞的方法，使骨细胞仅启动成骨过程而不启动骨溶解过程。作者通过OFF刺激模拟间质液流动对骨细胞施加剪切力的过程，从而模拟骨细胞在体内相关生理机械信号，所产生的可溶性裂解物能促使骨细胞分泌表型向骨生成方向的转换及骨细胞骨合成代谢反应的启动，同时抑制病理条件下破骨细胞的产生和活化。机制研究也表明，糖酵解升高、ERK1/2和Wnt/β-catenin通道的激活对于骨诱导功能的引发有重要作用。基于此，作者分别以甲基纤维素和海藻酸钠为凝胶原料，创建了两种基于骨细胞裂解物的水凝胶（HSOOL及CLOO-MCH），所制备的水凝胶能在体内富集并储存“活性骨细胞”，并持续向所需治疗部位持续释放活性蛋白，通过调节内源性成骨细胞/破骨细胞的稳态来加速骨损伤愈合。

图5 含有振荡液流活化骨细胞裂解物的水凝胶用于骨修复过程

原文链接：

3. 电磁能量信号

文献一：Advanced Functional Materials (IF=19.924)：近红外光响应可注射水凝胶释放甲状旁腺激素用于骨质疏松后的骨修复；2021

原文内容：保持成骨细胞和破骨细胞间的平衡对于骨质疏松患者的治疗有重要意义，其中甲状旁腺激素（PTH）能通过激活成骨细胞和破骨细胞而常用于临床上骨质疏松症的治疗，但由于存在注射剂量大、副作用大等问题，PTH对于局部骨缺损修复效果较差，因此，如何在高效激活骨细胞的同时保持骨修复效果对于治疗有重要意义。在本文中，作者首先选用热敏性聚合物PNAm与生物相容性良好的近红外光（NIR）染料（ICG）自组装形成热敏性聚合物微球（PI MSs），络合PTH后（PIP）再混合磷酸钙纳米颗粒（ICPN）与poly(DMAEMA-co-HEMA)组成的水凝胶（DHCP），最终形成热敏性可注射水凝胶。其中PNAm在室温下呈现凝胶状态，当温度超过45 °C后转变为溶胶状态，其相对较低的转变温度能减少水凝胶用于人体时对细胞的毒性和组织损伤。在NIR照射下，MSs分解后释放PHT，通过调节NIR照射的强度、次数及持续时间能精确控制PHT的释放效率；经过数次循环照射后，MSs的分解能在凝胶中形成微孔结构，为成骨相关细胞的募集、增殖、分化及组织形成提供空间。将包封PTH后的DHCP水凝胶注射到大鼠切除卵巢后的骨缺损部位，在NIR照射下局部光热效应能通过凝胶-溶胶转变触发PTH按需释放并原位形成微孔，增强成骨细胞和破骨细胞活性并维持两者平衡，成功修复骨缺损，且实验结果表明重复照射不会影响PTH的生物活性。

图6 水凝胶近红外光响应骨修复过程

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文献二：Acta Biomaterialia (IF=10.633)：ZIF-8改性的可注射光聚合GelMA水凝胶用于牙周炎治疗；2022

原文内容：由牙菌斑引起的牙周炎是常见的口腔慢性疾病，而如何减少细菌侵害并促进牙槽骨再生却一直是疾病治疗的难题。在本文中，作者以金属有机框架（ZIF-8）及能响应紫外光的甲基丙烯酸酰化明胶（GelMA）为原料，构建了可注射光聚合ZIF-8/ GelMA复合水凝胶（GelMA- Z）。在体外实验中，GelMA-Z能通过上调成骨相关基因和蛋白的表达，提高碱性磷酸酶活性，促进间充质干细胞成骨分化，并通过持续释放锌离子而对牙龈卟啉单胞菌展现明显的抗菌作用。在大鼠骨缺损实验中，将GelMA-Z预凝胶溶液填充到牙周袋并用紫外光照射促进凝胶，所形成的GelMA-Z水凝胶能稳定填充在牙周袋内并显著减少细菌残留，降低TNF-α和COX2表达水平，缓解牙周炎症，为牙槽骨再生提供良好的微环境。

图7 GelMA- Z复合水凝胶的制备及骨修复过程

原文链接：

文献三：Acta Biomaterialia (IF=10.633)：双交联自修复磁性可注射水凝胶用于药物运输及骨修复；2022

原文内容：临床上治疗骨缺损主要方法是自体移植或异体移植，但移植材料容易引起炎症和过敏反应，同时支架材料存在加工和降解的难题，限制了目前大多材料在组织工程中的应用。为了制备与人体生物相容性更好的骨移植材料，在本文中作者首先通过乳液法及与戊二醛化学交联法制备了含有四氧化三铁纳米颗粒（Fe3O4 MNPs）的羟基磷灰石/明胶微球（MHGMs），并包封抗菌药物盐四环素酸（TH）或磺胺嘧啶银（AgSD）；然后将高碘酸钠氧化的结冷胶（GG）分别与钙离子形成离子交联及与羧甲基壳聚糖发生席夫碱反应，并在形成的双交联水凝胶中引入增强相羟基磷灰石（HAp）来提高水凝胶材料的力学性能及与骨组织的生物相容性，将负载药物的MHGMs分散到水凝胶中后即形成了有良好磁响应性、自愈性和可注射性的水凝胶（HAp/MHGMs）。其中TH和AgSD通过破坏细胞膜或细胞壁干扰DNA复制及抑制mRNA合成来达到抑菌效果，对革兰氏阳性和阴性菌等均展现了良好的药物阻滞和抗菌性；此外，通过将TH或AgSD加载到磁性的MHGMs微球中，在外磁场作用下可以聚集MHGMs并通过降解将药物缓慢释放到特定的区域，有助于减少对其他位置的毒性。不仅如此，可注射的特性使水凝胶能填满形状各异的受损部位并与周围组织完美贴合，快速凝胶后起到骨再生过程中支架材料的效果。

图8 水凝胶制备过程及生物安全性表征

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文献四：Bioactive Materials (IF=16.874)：压阻式MXene/丝素蛋白纳米复合水凝胶通过重建电学微环境加速骨再生；2023

原文内容：尽管许多研究已表明电学微环境对于骨修复有重要作用，但电刺激（ES）促进骨再生的机制及材料设计却仍需更多探究。基于此，通过在生理温度下水溶液中的共培养，生物相容性良好的再生丝素蛋白（RSF）能在MXene纳米片上组装成纳米纤维，再将结合了RSF的MXene加入到RSF溶液中，在辣根过氧化物酶（HRP）和过氧化氢的作用下形成双交联纳米复合水凝胶（MXene/RSF水凝胶）。所制备的水凝胶不仅能有效促进骨再生，还能用作压阻式压力传感器，监测重建骨再生时的电学生理微环境。在外部电刺激下，水凝胶能激活骨髓间充质干细胞中的Ca2+/CALM信号通路有效促进成骨分化，并通过增强免疫微环境中M2巨噬细胞的浸润和极化，间接诱导骨髓间充质干细胞的成骨细胞分化；同时电刺激还能促进血管生成，为靶细胞提供营养并增加其数量，形成成骨细胞-巨噬细胞-内皮细胞良性循环，促进骨形成。在临界尺寸颅骨缺损实验中，本文所制备的水凝胶在重建骨再生的电学微环境及促进骨生成中均展现了良好的应用前景。

图9 压阻式水凝胶在不同骨缺损中的应用

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文献五：Bioactive Materials (IF=16.874)：通过超声远程募集并捕获内源性干细胞用于原位骨缺损修复；2023

原文内容：为了解决骨髓间充质干细胞（BMSCs）来源有限及应用风险问题，基于干细胞基组织工程，本文中作者设计了一种能用于原位骨修复的声响应水凝胶。在制备过程中，作者首先通过离子交联形成海藻酸钙水凝胶，并封装3D打印形成的声响应性聚乳酸（PLA）支架（ARS）；此外，为了提供种植材料植入体内后所需的微环境，水凝胶中还包封了能吸引骨髓间充质干细胞和造血干细胞的基质细胞衍生因子（SDF-1），以及有优异骨诱导能力的骨形态发生蛋白（BMP-2），最终形成仿生水凝胶支架复合物（BSC）。优化参数后，用脉冲型超声照射植入到骨缺损处的BSC，可实现对SDF-1/BMP-2细胞因子的按需释放，将远端的内源性BMSCs募集到骨缺损或BSC处，连续照射14天后，海藻酸盐水凝胶被降解，从而使ARS接触所募集的宿主干细胞。当用正弦连续超声波照射BSC后，ARS的本征共振被激发，其表面周围形成高度局域化的声场并增强声捕获能力，将募集的内源干细胞捕获在支架上，并促进其黏附生长，实现原位骨组织再生。

图10 BSC制备及超声响促进成骨分化过程

原文链接：

结语

临床上常用的骨修复治疗方式包括自体移植和异体移植，然而目前的种植材料大多为金属或陶瓷类，难以满足用于人体时的生物相容性及保障优异的愈合效果，除了添加羟基磷灰石等矿物成分或能促进成骨分化的细胞因子，选择刺激响应性水凝胶如能响应温度或紫外光而发生凝胶-溶胶转变的可注射水凝胶，不仅能有效避免材料与缺损部位周围组织的贴合问题，还能缓解对种植材料力学性能的高要求。根据刺激信号的不同，无论是人体本身的酶或pH、温度等信号，还是来自外部的声光电磁信号，通过特定的结构设计都能实现水凝胶在受损部位的高效骨修复作用。

总之，多种多样的组成及结构为水凝胶的设计了无限可能，让水凝胶变得更有“活力”，也让骨修复过程更有生命力。

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