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可注射壳聚糖水凝胶在骨修复中的研究进展

2024-06-07 115 上传者：管理员

摘要：骨折后延迟愈合及骨不连仍是临床工作中的一大挑战。传统自体骨移植及同种异体骨移植在骨修复治疗中存在诸多缺点，可注射水凝胶的出现为骨修复研究提供了新的选择。壳聚糖是常见的可注射水凝胶聚合物之一，壳聚糖及其衍生物的生物降解性、生物相容性、细胞黏附性、机械性能、抗菌活性等可通过材料以及交联方式的选择进行调整和改进。该文就可注射壳聚糖水凝胶的交联方式、特性和设计进展进行综述。

关键词：
可注射水凝胶
壳聚糖
骨不连;
骨修复
骨折延迟愈合
骨组织工程
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目前，骨折后延迟愈合及骨不连仍是临床医师所面临的一大挑战。自体骨移植通常被认为是骨修复治疗的金标准[1,2]。然而，取材量有限、供区感染等限制了自体骨移植研究的发展[3]。同源异体骨移植虽然更易获取，但存在免疫排斥的可能[4]。现阶段还存在许多其他骨移植替代材料，如陶瓷、金属材料等[5,6],这些材料通常需要体外预成型后再进行手术，且手术本身就存在二次创伤、感染等多种风险。

亲水聚合物通过交联形成的三维网状结构称为水凝胶。水凝胶具有大量的水分和独特的力学性质，在组织工程方面应用潜力巨大。可注射水凝胶可以通过微创的方式近乎完美地填充缺损的组织，因其与细胞外基质相似，所以它支持细胞的增殖与迁移、药物和生长因子的控制释放[7,8,9]。很多天然或者合成聚合物被用于制备可注射水凝胶，聚合物及交联方法的不同，产生的水凝胶的理化性质也会存在很大的差异。壳聚糖是甲壳素的脱乙酰衍生物，属于天然碱性多糖，通常仅在酸性介质中溶解[10]。壳聚糖及其衍生物具有良好的生物相容性、生物溶解性以及抗菌活性，通过改变交联方式、交联剂及交联化合物的类型达到改良其机械强度及支架性质的目的，这使得壳聚糖水凝胶被广泛应用于骨组织工程中。本文就可注射壳聚糖水凝胶的交联方式、特性和设计进展进行综述。

1、可注射壳聚糖水凝胶的交联方式

1.1物理交联

聚合物分子通过范德华力、离子键、氢键和疏水相互作用等方式相结合，即为物理交联。物理交联不涉及到聚合物与交联剂的共价反应，交联副产物少，很大程度上避免了交联剂和副产物所带来的毒性作用。此外，某些外部环境因素可以成为改变物理交联水凝胶的性质和形态的关键，其中常见的是温度和pH。

近年来，通过静电相互作用所制成的可注射壳聚糖水凝胶并不少见。有研究者[11]尝试将纳米羟基磷灰石/壳聚糖/聚(甲基乙烯醚-马来酸酐)通过静电作用合成复合材料，以便于协同发挥各种材料的作用。有文献[12]报道，将锶掺杂半水硫酸钙与壳聚糖进行交联，并将其用于大鼠胫骨缺损模型中，可获得良好的成骨活性及生物降解性。

氢键交联的可注射壳聚糖水凝胶也是骨修复材料的重要组成部分。Guo et al[13]将掺杂了镁和锶的生物活性玻璃与壳聚糖通过冷冻干燥法合成了具有三维蜂窝状多孔结构的复合支架，并且深入研究了两种材料在不同质量比时的孔径降解速率等，发现当这种生物支架的压缩模量达到最大值(1.12±0.02)MPa时，生物活性玻璃与壳聚糖的质量比为2∶4,这为骨修复再生材料提供了一个新的选择。Yu et al[14]所制作的熊果酸-介孔羟基磷灰石-壳聚糖支架，表现出了优良的骨诱导性及抗菌活性，此凝胶可以增强成骨相关的基因表达，促进了碱性磷酸酶、RUNT相关转录因子2和Ⅰ型胶原蛋白的表达水平，同时还可以显著抑制巨噬细胞向具有促炎效能的巨噬细胞(M1型)分化。

物理交联方式中的疏水相互作用方式也常常被应用于壳聚糖水凝胶的制作之中。Liang et al[15]将壳聚糖和角叉菜胶放入碱性尿素水溶液中，避免了聚阳离子和聚阴离子的聚合，成功构建了一种具有优良机械性能及多级多孔结构的复合水凝胶，并在体外实验中成功诱导了骨及软骨的分化。有研究者[16]在三聚磷酸酯中加入冷冻干燥的壳聚糖凝胶，并且研究了两种物质在不同浓度下的孔隙率及连通性的变化，亦为骨组织工程生物支架提供了新的选择。

1.2化学交联

壳聚糖或者其他聚合物分子通过交联剂反应或经辐射反应形成不可逆三维网状结构的过程称为化学交联。使用交联剂意味着很可能产生副产物及毒性作用，这也是目前研究者正在努力攻克的难点之一。

戊二醛是常见的化学交联剂。Valencia-llano et al [17]将二氧化钛纳米颗粒、氧化石墨烯纳米片和黑莓加工废料与壳聚糖和戊二醛珠共价交联形成的水凝胶相混合，得到一种新的复合材料，并将其应用于大鼠骨缺损模型中，结果证明，这种新复合材料有利于骨骼细胞的黏附及增殖，可能具有骨诱导性。然而，戊二醛具有细胞毒性，这很大程度上限制了戊二醛的进一步发展。京尼平的出现为研究者提供了新的选择，研究[16,17,18]证明其细胞毒性较低，且与壳聚糖交联后展现出了协同抗炎作用，确保了壳聚糖能够持续刺激骨髓间充质干细胞(MSCs)生成和释放生长因子。羟丙基壳聚糖是一种壳聚糖衍生物，可与京尼平相交联，还可通过改变京尼平的浓度调节其降解率、孔隙率、抗压强度等[19]。京尼平来源于栀子、杜仲等天然植物，提取过程较为复杂，如何提升技术手段和提高利用率是研究者下一步需要努力的方向。

此外，辐射交联和光交联因反应条件相对比较温和，也受到研究者们的青睐。通过γ射线交联所形成的壳聚糖/聚乙烯醇/单宁酸复合水凝胶有良好的抗菌活性，且混合水凝胶的机械强度得到了明显提升[20]。有研究者[21]通过光交联将壳聚糖纳米颗粒与明胶甲基丙烯酰制成混合水凝胶，并将其用于血管生长因子的传递，结果显示这种生物材料有良好的生物相容性，能够促进血管生成。

2、可注射壳聚糖水凝胶的特性与设计进展

2.1生物相容性

生物材料与人体组织的相容性很大程度上取决于材料本身的性质，天然化合物的生物相容性普遍高于合成化合物。壳聚糖与体内的糖胺聚糖类化合物有着相似的结构，这也是壳聚糖作为生物材料的优势[22]。虽然目前并不存在完全惰性的生物材料，但壳聚糖在很多研究中都展现了良好的生物相容性。不仅如此，其他生物材料借助壳聚糖可达到增强生物相容性的目的。壳聚糖、丝素蛋白和胶原蛋白混合物分别与双醛淀粉和双醛壳聚糖相交联，相比之下，双醛壳聚糖交联的支架具有更高的生物相容性[23]。有研究者[24]将人MSCs种植在壳聚糖-明胶和β-甘油磷酸交联的水凝胶上，亦显示出较好的组织相容性，且检测到抗氧化基因的表达下调。

2.2生物降解性

水凝胶通过注射进入人体，成为骨修复替代生物制品，在此过程中生物材料会与人体生物化学环境发生一系列的反应。随着人体骨组织逐渐修复，生物材料会被慢慢取代直至消失。骨骼修复对于材料的降解速率有着很高的要求，降解太快会达不到骨修复的机械强度，太慢则会影响骨骼形态的重塑。有研究者[25]使用京尼平共价交联氨基功能化介孔二氧化硅复合水凝胶纳米颗粒、丝素蛋白、壳聚糖和甘油磷酸钠形成复合水凝胶，此种水凝胶在人体生理温度和pH下有良好的可注射性，而且在有效剂量范围内以近似线性方式降解，持续数周，同时还释放了生物活性硅离子。Palomino-durand et al[26]所合成的壳聚糖和阴离子环糊精聚电解质复合物水凝胶，在3周的实验过程中降解幅度为12%,降解速率与组织再生速率基本保持一致，这为骨组织工程中的血管化释放血管内皮生长因子提供了一种可靠的载体。

2.3支架作用

骨组织工程对于支架材料的孔径、孔隙率以及孔间的连通率有着严格的要求，最理想的支架孔径应与人体天然骨单位的大小相一致。在保证机械强度和孔间连通率的情况下，提升孔隙率有利于细胞的黏附、生长和迁移。孔径、孔隙率与聚合物浓度、交联剂的种类及浓度等都有着密切的关系。利用壳聚糖可以得到孔径大小合适的支架材料，但单纯的壳聚糖支架质脆，且结构光滑，不利于细胞的黏附和生长[27]。研究者[28]将双相磷酸钙纳米颗粒(BCP-NPs)加入到壳聚糖和明胶的复合水凝胶中，通过控制BCP-NPs的浓度来调节水凝胶的力学性能和孔隙率，所制得的复合材料孔隙率均在60%以上，并将其应用于兔股骨头坏死模型中，研究结果显示可促进新骨形成。壳聚糖和琼脂糖可以被分别制成水凝胶，两者形成的复合水凝胶支架较单一材料支架的孔径明显缩小，机械强度亦随之加强，更合适骨组织工程的需求[29]。

2.4机械强度

骨骼修复材料需要代替骨承受人体负荷，保持缺损部位的体积和形态，维持生理结构的稳定。壳聚糖在这方面的表现是有所欠缺的，往往需要通过与其他生物材料相结合来加强自身的机械强度。有研究者[30]利用壳聚糖和改性高岭土纳米管制成可注射水凝胶，并搭载了MSCs和骨诱导剂淫羊藿苷，这种水凝胶通过改性高岭土纳米管提升了机械强度，同时展现了良好的骨分化能力，是一种可靠的骨修复候选材料。研究者[31]通过光交联制成了壳聚糖甲基丙烯酰与β-磷酸三钙的复合水凝胶，并将其运用在大鼠颅骨缺损模型中，经杨氏模量试验测定，这种复合水凝胶的机械强度远大于单纯的壳聚糖甲基丙烯酰水凝胶，且随着β-磷酸三钙浓度的增加，复合水凝胶的机械强度会显著提升。

2.5细胞黏附性

骨质修复过程中有很多细胞参与其中，良好的细胞黏附性可以为细胞的增殖、迁移和分化提供基础。壳聚糖属于带正电的天然多糖，本身就具有很好的细胞黏附性。体外研究[32]已证实壳聚糖可促进成骨细胞和MSCs的黏附和增殖。并且有研究者[33]指出壳聚糖的细胞黏附作用与其脱乙酰的程度相关。纳米粘土和富胍壳聚糖的超分子复合水凝胶可以通过激活Wnt/β-catenin信号通路增强自身细胞黏附性能，间接导致了MSCs的成骨分化，这对于骨缺损的填充和修复有着重要的作用[34]。

2.6抗菌活性

壳聚糖被证实具有较好的抗菌活性。良好的抗菌性能可避免骨缺损部位的感染，为骨骼修复和组织再生提供必要的生物环境。有研究者[33]详细介绍了壳聚糖的抗菌机制，细菌细胞表面的负电荷使得其易与壳聚糖相结合，减缓了细胞内外的物质交换，抑制了其代谢过程。近年来，许多研究者[35,36]在骨修复、骨软骨修复和创面愈合等方面通过联合壳聚糖和抗菌药物或者金属离子治疗均取得了不错的效果。还有研究[37]发现，加入氧化镁纳米颗粒和黑磷纳米片的壳聚糖、聚乙烯醇复合水凝胶与体外红外线通过协同作用，面对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌时展现了强大的抗菌能力。

3、小结

与传统手术方式相比，可注射水凝胶具有微创、易于操作、并发症少、时间成本低、患者疼痛少等一系列优点。它的特殊性能使其在创面修复、骨与软骨修复、药物传递等领域都有着不可替代的作用。壳聚糖及其衍生物所形成的水凝胶在组织工程中被广泛研究，大量动物及体外实验证实了壳聚糖水凝胶在骨修复过程中具有积极意义。此外，新兴技术的发展使得壳聚糖水凝胶的制备、生产及应用得到极大的发展。相较于传统水凝胶，纳米凝胶具有更好的生物相容性、可变形性等[38,39],这使得可注射壳聚糖水凝胶更加符合骨修复材料的特点和要求。3D打印技术[40,41]、静电纺丝技术[42]的日益成熟也为水凝胶的制备提供了新的选择。壳聚糖本身的理化性质决定了其在力学性质及支架功能上的不足，但其良好的可塑性让研究者可以通过改变交联方式、添加交联剂及交联化合物等方式最大程度地开发和利用其所形成的凝胶产物。壳聚糖与其他聚合物通过相互交联增强了自身机械性能，同时，其他聚合物利用壳聚糖的生物相容性、生物溶解性等实现了更好的生理适用性。另外，现阶段可注射壳聚糖水凝胶的制备尚未有相关的规格及性能评判标准，且绝大多数研究仅仅停留于动物实验及体外实验阶段，并没有实现临床应用的转化。相信未来可注射壳聚糖水凝胶在骨组织工程中会起着更广泛、更重要的作用。

基金资助:湖北省卫健委科研面上项目(编号:WJ2019M038);

文章来源:管俊航,陈东.可注射壳聚糖水凝胶在骨修复中的研究进展[J].临床骨科杂志,2024,27(03):447-451.