用于组织再生医学的新型高分子水凝胶设计—含氧水凝胶材料综述

杨凯

摘要：近年来，HGs在再生医学和组织工程中不可替代的用途，随着科技的快速发展和新的科学领域的发现不断凸显出来，特别是在医疗领域，甚至被誉为下一代微流控芯片的基体材料。含氧水凝胶材料无论是作为治疗植入物或作为治疗组织再生应用，以及其他生物医学应用都具有巨大的潜力。

关键词：组织再生医学；新型高分子；水凝胶设计

在当今中国，供体器官短缺是一个亟待我们解决问题。目前“组织工程”概念的提出和组织工程技术的发展为解决这一问题提供了一种最有潜力的解决方案，并且随着生物材料的发展，其特性对再生医学和组织工程展示了极大的发展潜力与和应用前景。人工聚合物水凝胶由于其在细胞外微环境中的生物相容性、可调节性和结构相似性，在组织工程和再生医学中得到了广泛的应用。

一、基本介绍

天然细胞外基质(ECM)被认为是调节细胞行为及其命运的关键因素。其具有的各种参数，如ECM成分、可溶性因子、细胞间和细胞间基质的相互作用、物理力和物理化学环境等[1]。在这些因素中，氧被认为是一种必要的信号分子。尤其是在异常的氧张力在早期血管发育、组织再生和修复以及肿瘤进展和转移中起着关键作用。在本论文中，我们将讨论工程聚合物水凝胶如何作为人工细胞外微环境来创建工程组织或作为非细胞基质来刺激天然组织。待该项技术成熟之后，可以广泛应用于生物医学应用，包括组织工程和再生医学、伤口愈合和工程疾病模型。总而言之，本篇论文的关键是聚焦于多种新兴技术，调节水凝胶中的氧含量，以达到我们的预期，准确地模拟天然ECM或者来刺激天然组织。

二、理化性质

水凝胶是通过物理或化学交联形成的三维网状聚合物体系，其最主要的特性在于具有亲水性交联网络，可吸收大量的水(通常为70%-99%)并保持固体形态，可用于包裹药物、蛋白质和细胞。水凝胶有强拉伸性并且有良好的的生物相容性，很适合应用到人体上。聚合物水凝胶其与天然细胞外基质的高度相似性，使之作为一种有前途的人工细胞外基质备受关注。

三、制备工艺

低氧水凝胶可以模拟天然细胞微环境，重现病理环境，便于观测早期血管发育、组织再生和修复以及肿瘤进展和转移等生理活动；高压水凝胶可通过短暂的氧化应激促进伤口愈合过程还可以促进伤口愈合，包括炎症、增殖、胶原合成和血管生成。在这里我们将讲述创造低氧环境和制备高氧水凝胶的方法。我们采取的方法是交联。交联是指多种聚合物链通过多维延伸形成稳定网络结构。交联度的大小可以影响材料的降解速率和孔隙率，进而影响水凝胶的溶胀性能，同时增加其材料稳定性。所以我们可以通过不同的交联反应来制作含氧量不同的高分子水凝胶。

1.模拟低氧环境

已经实验室使用二甲基乙酰甘氨酸(DMOG)释放水凝胶来影响含氧量。DMOG是一种HIF-PH抑制剂，可以通过稳定HIF-1α和诱导HIF-1依赖的下游通路来模拟低氧条件。实验室数据表明，该低氧水凝胶形成过程中的耗氧动力学遵循米凯利斯-门滕方程，所以HI水凝胶内的氧水平和梯度是可预测的和可控的，方便实验室实际操作预设氧气浓度。但是普通的低氧水凝胶的持续时间并不长，难以满足长时间的观测。为了克服这一限制，达到控制和维持缺氧状态的目标，有实验室开发了二六糖基HI（Dex-HI）水凝胶。他们通过偶联酪胺(TA)合成了HI水凝胶，用聚乙二醇作为连接物。试验数据表明，Dex-HI水凝胶可以产生延长的缺氧条件，高达12小时，以满足更高的缺氧需求[2]。

2.制备高氧水凝胶

为了实现长时间的氧气输送，目前许多研究人员在研究先进的产氧生物材料。如Alemdar等人将明胶甲基丙烯酰(GelMA)与过氧化钙交联。这种含CaO2的明胶甲基丙烯酰基水凝胶可提供至少5天的氧气持续释放，并且可以通过调节CaO2剂量的方式来改变氧张力。Alemdar等人在体外缺氧条件下，在不同CaO2浓度下培养心脏侧群体细胞，观察产氧水凝胶对细胞存活的影响（图1）。结果表明，CaO2-GelMA能显著改善细胞的存活率，也从侧面说出这种含CaO2的明胶甲基丙烯酰基水凝胶供氧功能良好。除此之外还可以应用GtnSH和CaO2制备高压氧生成水凝胶(如图1a)。通过将Traut试剂(TR)偶联到Gtn主链上，合成GtnSH聚合物。GtnSH可以通过CaO2介导的氧化应激形成水凝胶网络。此外通过调节CaO2浓度，可以控制水凝胶的可控氧张力。使用该高含氧水凝胶在实验室进行实验，以验证高压氧生成水凝胶在体内的血管生成作用。实验结果表明，与常氧基质相比，高压氧基质中具有毛细血管样结构的血管内皮细胞的密度更高（如图1c）。实验结果与预期结果相近，表明用该法制备的高含氧水凝胶的含氧性质良好[4]。

图1

四、生物医学应用

目前已经有许多研究小组成功利用体外模型来复制各种人体组织或病理条件的微环境。因为缺氧是胚胎发育，组织再生和肿瘤进展过程中的关键因素，所以我们可以用氧来进行检测。这些人工 ECMs 在研究细胞行为、组织再生机制、转移过程的研究以及评估癌症治疗药物方面具有重要意义。除此之外氧作为信号分子可以改善新生血管和伤口愈合过程，所以也可以将这种水凝胶用于治愈伤口等方面。这种含氧水凝胶故此具有现实意义。

五、结论与未来展望

通过模拟天然细胞微环境，重现病理环境，便于观测早期血管发育、组织再生和修复以及肿瘤进展和转移等生理活动。除此之外，模拟低氧环境还便于研究细胞行为和组织再生机制、转移过程，以及对癌症治疗药物的评价。高压氧可通过短暂的氧化应激促进伤口愈合过程，还可以促进伤口愈合，包括炎症、增殖、胶原合成和血管生成。故此高含氧水凝胶可以通过增强细胞和组织存活、改善缺氧应激和减少坏死诱导的细胞和组织损伤来改善组织条件。除此之外，氧气还可以作为信号分子，传递信息，以改善新生血管和伤口愈合过程[5]。许多研究人员已经开发了各种类型的含氧物可控制基质，作为工程细胞微环境或作为组织工程和再生医学的动态非细胞基质。因此，氧可控水凝胶无论是作为治疗植入物，或作为组织再生应用和其他生物医学应用的治疗载体，都具有巨大的潜力。希望氧可控水凝胶可以在未来大放异彩，帮助人类走向更光明的未来。

参考文献：

[1]Hussey GS,Dziki JL,Badylak SF (2018) Extracellular matrix-based materials for regenerative medicine.Nat Rev Mater 3(7):159–173

[2]Park KM,Blatchley MR,Gerecht S (2014) The design of dextran-based hypoxia-inducible hydrogels via in situ oxygen-consuming reaction. Macromol Rapid Commun 35(22):1968-1975.

[3]Alemdar N,Leijten J,Camci-Unal G et  al (2016) Oxygen-generating photo-cross-linkable hydrogels support cardiac progenitor cell survival by reducing hypoxia-induced necrosis.ACS Biomater Sci Eng 3(9):1964–1971

[4]Park S,Park KM (2018) Hyperbaric oxygengenerating hydrogels. Biomaterials 182:234-244.

[5]Rodriguez PG,Felix FN, Woodley DT et al (2008) The role of oxygen in wound healing:a review of the literature. Dermatol Surg 34(9):1159-1169.Winter GD (1978) Oxygen and epidermal wound healing. In:Silver IA,Erecińska M, Bicher HI (eds) Oxygen transport to tissue III,Advances in experimental medicine and biology,vol 94.Springer, New York,pp 673-678.

【作者简介】杨凯（2002.02-），男，汉族，辽宁省锦州市人，东北大学医学与生物信息工程学院本科在读，主要研究方向：智能医学工程。