智能水凝胶在骨类硬组织再生和修复中的应用_杨琳

1、中国组织工程研究 第 20卷 第 3期 2016 01 15出版Chinese Journal of Tissue Engineering Research January 15, 2016 Vol.20, No.3 430www. CRTER .org综述杨琳,女, 1989年生,辽 宁省铁岭市人,汉族,硕 士,主要从事龋病的病因 与防治研究。通讯作者:刘建国,教授, 博士 , 遵义医学院口腔学 院,贵州省遵义市 563099Yang Ling1, Guan Xiao-yan1, 2, Chen Li-ming3, Liu Jian-guo1, 2 (1School of Stomatolo

2、gy, Zunyi Medical University, Zunyi 563099, Guizhou Province, China; 2the Special Key Laboratory of Oral Diseases Research, Institution of Higher Education in GuizhouProvince, the Key Laboratory of Oral Diseases Research of Zunyi City, Zunyi 563099, Guizhou Province, China; 3Guiyang Stomatological H

3、ospital, Guiyang 550002, Guizhou Province, ChinaYang Lin, Master, School of Stomatology, Zunyi Medical University, Zunyi 563099, Guizhou Province, ChinaCorresponding author: Liu Jian-guo, M.D., Professor, School of Stomatology, Zunyi Medical University, Zunyi 563099, Guizhou Province, China; the Spe

4、cial KeyLaboratory of Oral Diseases Research, Institution of Higher Education in GuizhouProvince, the Key Laboratory of Oral Diseases Research of Zunyi City, Zunyi 563099, Guizhou Province, ChinaSubject headings: Hydrogel; Bone Regeneration; Tissue EngineeringFunding: the ScientificInnovation Talent

5、 Team Fund of Guizhou Province, No. 20134026;智能水凝胶在骨类硬组织再生和修复中的应用杨 琳 1,管晓燕 1,2,陈黎明 3,刘建国 1,2 (1遵义医学院口腔学院,贵州省遵义市 563099; 2贵州省高等学校口腔疾病研究特色重点实 验室,遵义市口腔疾病研究重点实验室,贵州省遵义市 563099; 3贵阳市口腔医院,贵州省贵阳市 550002文章快速阅读:文题释义:水凝胶:是以水作为分散介质的凝胶,是一部分疏水基团被引入到具有交联结构的水溶性高分子中,形成能 够遇水膨胀的交联聚合物,是一种高分子三维网络体系,能保持一定的形状,性质柔软,可吸收大量的

6、水, 但又不会溶解。智能水凝胶:能感知外界刺激的微小变化,并对某些特异的刺激发生敏感性响应。基于该特性,智能水凝胶 在生物医药、组织工程、记忆元件开关、生物酶的固定等相关领域得到了广泛应用,在医学研究领域、伤口 敷裹、药物释放载体、人造器官等方面已成为近年来的研究热点。摘要背景:智能水凝胶作为一种新兴材料被广泛应用于生物医药、组织工程、记忆元件开关、生物酶固定等相关 领域,并表现出较好的生物特性,为智能水凝胶运用于骨等硬组织的再生和修复提供了新的思路。目的:综述智能水凝胶在生物医药和组织工程等相关领域研究的最新进展,寻找骨等硬组织再生和修复的新 方法。方法:应用计算机检索中国知网、 PubMe

7、d 及 EBSCO-MEDLINE 数据库从 2000至 2015年有关组织工程中 智能水凝胶关于在骨及骨类硬组织再生、骨修复中应用的文献,英文检索词有“ hydrogel , bone tissue engineering , bone defect, regeneration , repair ”,中文检索词有“水凝胶,组织工程,骨再生,骨修复”。 结果与结论:智能水凝胶中包括 pH 敏感型、温度敏感型、光敏感型、多重敏感型及其他敏感型水凝胶。为提 高水凝胶的矿化能力、构建水凝胶三维聚合物支架,可在水凝胶材料主体结构上复合各种信号因子,进而实 现材料体系的多效用、多功能,将成为构建组织工程

8、材料的发展趋势。 关键词:生物材料;骨生物材料;水凝胶;分类;矿化能力;骨再生;骨修复;支架;应用 主题词:水凝胶;骨再生;组织工程 基金资助:贵州省科技创新人才团队建设项目 (黔科合人才团队 20134026;贵州省高等学校重点学科建设项目 (SZXK-201207-04号 ; 贵州省高等学校特色重点实验室建设项目 (黔教合 KY 字 2013109; 贵州省科技厅联 合基金项目 (黔科合 SY 字合 J 字 201247号 和省市科技合作专项资金项目 (省市科合 201441号 Application of intelligent hydrogels in bone regeneratio

9、n and repairAbstractBACKGROUND: Intelligent hydrogel as a new material is widely used in biological medicine, tissue engineering, memory element switch, biological enzyme immobilization and other related fields, and exhibits good biological characteristics. Intelligent hydrogels provide a new approa

10、ch for regeneration and repair of bone and other hard tissues.杨琳,等 . 智能水凝胶在骨类硬组织再生和修复中的应用 ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH431www. CRTER .orgthe Key DisciplineConstruction Project of Higher Education in Guizhou Province, No. SZXK-201207-04; the Special Key Laboratory Building Project of High

11、er Education in GuizhouProvince, No. KY2013109; Joint Fund of Science and Technology Department of Guizhou Province, No. SY-J201247; Scientific Cooperation Project of Guizhou Province and Zunyi City, No. 201441OBJECTIVE: To summarize the latest developments of intelligent hydrogel in the biological

12、medicine and tissue engineering in order to find out new methods for regeneration and repair of bone and other hard tissues.METHODS: A computer-based research of CNKI, PubMed and EBSCO-MEDLINE databases was performed to retrieve relevant literatures about the application of intelligent hydrogel in r

13、egeneration and repair of bone and other hard tissues published from 2000 to 2015. The keywords were “hydrogel, bone tissue engineering, bone defect, regeneration, repair” in Chinese and English, respectively.RESULTS AND CONCLUSION: Intelligent hydrogels are classified into pH-sensitive, temperature

14、-sensitive, light-sensitive, multiple-sensitive and other sensitive hydrogels. In order to improve the mineralization ability of the hydrogel and construct the three-dimensional polymer scaffold of hydrogel, the main structure of the hydrogel materials can be mixed with various signal factors, thus

15、achieving the multi-utility and multi-function of the material system, which will become the development trend of tissue engineering construction.Cite this article: Yang L, Guan XY, Chen LM, Liu JG. Application of intelligent hydrogels in bone regeneration and repair. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu

16、. 2016;20(3:430-434.0 引言 Introduction水凝胶是以水作为分散介质的凝胶, 是一部分疏水 基团被引入到具有交联结构的水溶性高分子中, 形成能 够遇水膨胀的交联聚合物,是一种高分子三维网络体 系,能保持一定的形状,性质柔软,可吸收大量的水, 但又不会溶解。根据对外界刺激的敏感情况,将水凝胶分为传统水 凝胶及智能水凝胶。智能水凝胶能感知外界刺激的微小 变化,并对某些特异的刺激发生敏感性响应。基于该特 性, 智能水凝胶在生物医药、 组织工程、 记忆元件开关、 生物酶的固定等相关领域得到了广泛应用, 在医学研究 领域、伤口敷裹、药物释放载体、人造器官等方面已成 为近年来

17、的研究热点 1。文章就智能水凝胶的分类及其在骨等硬组织再生 和修复中的应用研究现状做一综述。1 资料和方法 Data and methods1.1 资料来源 应用计算机检索中国知网、 PubMed 数 据库及 EBSCO-MEDLINE 数据库从 2000至 2015年在组 织工程中有关智能水凝胶在骨及骨类硬组织再生、 骨修 复中应用的文献, 英文检索词有 “ hydrogel , bone tissue engineering , bone defect, regeneration , repair ” ,中 文检索词有“水凝胶,组织工程,骨缺损,骨再生,骨 修复” 。1.2 入选标准纳入标

18、准 :研究内容与智能水凝胶密切相关的文 献。 有关智能水凝胶在骨及骨类硬组织再生、 骨修复中 应用的文献。 多学科交叉领域和相同领域被引用较多的 文章。排除标准 :重复性研究、无关研究。1.3 质量评估 计算机共检索到 142篇文献,其中英文 文献 92篇, 中文文献 50篇。 通过阅读标题和摘要进行初 步选筛,排除与本文研究目的无关的文章,排除已明确 过时及重复性的研究, 阅读 63篇并对其中 27篇文献进行 归纳总结。2 结果 Results2.1 智能水凝胶的分类Ma 等 3在防治牙周病患者牙槽骨吸收的基因治疗中, 利用壳聚糖温敏性水凝胶作为 siRNA 的贮存器和矢量信 号, 观察到在

19、小鼠模型体内水凝胶可维持 siRNA 的长时间 释放,并在其治疗局部持续递送 siRNA 。 Kim 等 4使用酶 降解法降低了甲基纤维素的分子量, 从而达到了降低凝胶 凝温度的目的, 并通过凝胶渗透色谱法证实该甲基纤维素 具有更好的生物兼容性和生物消除性。 该疏水改性的纤维 素衍生物, 在水溶液中形成温度可逆型凝胶, 将成纤维细 胞生长因子和艾塞那肽装载到甲基纤维素热可逆型水凝 胶中, 水凝胶没有出现初始爆发, 其装载药物得以缓慢释 放。 该型水凝胶可有效应用于治疗 1型和 2型糖尿病的蛋白 质药物递送系统中。 432www. CRTER .org丰富了水凝胶的种类,拓宽了智能水凝胶的应用领

20、域。 2.2 水凝胶在骨等硬组织再生和修复中的应用很多学者通过钙化水凝胶基质获得了 适用于骨再生应用的水凝胶, 其制备方式主要有以下几 种 11:第 1种方式是通过将磷酸钙陶瓷和生物玻璃等无 机物掺入到水凝胶矩阵中,这些无机粒子作为成核点, 通过进一步的矿化,提高复合材料的机械性能;第 2种 方式是运用生理矿化过程的特征, 将水凝胶浸泡在磷酸 钙饱和溶液中,掺入可催化骨矿物质沉积的酶,将合成 类似物掺入到生物矿化初始位点的基质囊泡中,创建水 凝胶钙化成核位点;第 3种方式是将聚合物水凝胶骨干 与带负电荷的基团官能化,以促进惰性水凝胶的矿化。杜大江等 13依据兔股骨外形制作模板,将三磷酸钙 微球

21、填入模板并用藻酸钠水凝胶交联塑形,结合激光快 速成形,成功获得具有兔股骨解剖外形的个体化人工 骨。 该研究提供了一种利用水凝胶间接制备个体化生物 陶瓷支架的新技术。任迅等 14运用改良的壳聚糖、胶原 等制备双性聚电解质复合物水凝胶, 使其作为模仿釉质 矿化的模板,利用仿生唾液提供矿化离子,其牙体表面 的化学组分在紫外光照射下被激活, 调控磷灰石晶体在 局部的形成及组装,在扫描电子显微镜下观察该双性聚 电解质复合物水凝胶为孔孔相通,多孔并存的级联结 构;新生的晶体经 X 射线衍射证实为羟磷灰石,该沉积 层与原釉质发生同质结合,其结构类似于釉柱平行排 列;新生晶体硬度接近牙本质,直径 30-60

22、nm。该水 凝胶对于釉质浅表缺损的修复具有重要意义。目前, 已经开发出来具有 3D 多孔结构并可生物降解 的水凝胶,用于肝脏、膀胱、神经、皮肤、骨、软骨、 韧带等组织工程,以及口腔再生医学 19。广泛使用且较 为简单的创建多孔支架的技术是致孔剂的浸出,也称为 溶液浇铸 /颗粒沥滤。这种方法通常包括水溶性盐类粒子 杨琳,等 . 智能水凝胶在骨类硬组织再生和修复中的应用 ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH433www. CRTER .org混合到可生物降解的聚合物溶液, 然后将混合物浇铸到所 需形状的模具中,之后将溶剂通过蒸发或冷冻干燥除去, 该盐颗

23、粒被滤出, 得到多孔结构, 该方法具有操作简单的 优点,可通过调节盐 /聚合物比率和颗粒尺寸来适当的控 制孔径和孔隙率。各种致孔剂,如氯化钠、糖晶体、明胶 和聚合物,已被成功地用于制造多孔结构 20。研究发现, 多孔水凝胶的孔径及孔隙率的大小对形变等位移线的分 布有较明显影响。 多孔水凝胶的等位移线随着致孔剂含量 的增加,由均匀分布的近似平行线变成不均匀的 S 形曲 线, 并出现等位移线密度明显增大的区域应力集中区。 多 孔水凝胶的孔隙率增加, 其形变也随之增大。 致孔剂的量 和种类不同, 水凝胶的压缩模量也随着应变的增加逐渐增 大 21。大孔支架的制作也越来越普遍,如 3D 打印和光刻 等技

24、术可以完全控制孔中几乎任意几何形状的分布和尺 寸以及壁材料, 从而保持器官的特异性三维设计和制造方 面的稳定 22。何显运 24采用相转变-粒子沥滤法,通过改变良溶剂 和不良溶剂的比例及造孔剂的比例等来控制聚氨酯支架 的孔径、分布、孔之间的连通性及与支架的力学性能等。 制备得到的聚氨酯三维多孔支架孔隙率为 84.2%, 孔径大 于 100 m 所占的比例为 87.5%,具有较好的性能和孔与 孔之间的连通性, 可以满足细胞在支架上生长、 增殖的需 要; 同时, 支架的抗压性能好, 压缩应变为 20%时的抗压 强度为 0.31 MPa,能够满足软骨组织工程的力学性能要 求; 还具有较好的形变恢复能

25、力, 得到的三维支架在压缩 过程中不会发生崩塌的现象。 进一步将聚氨酯三维多孔水 凝胶支架与功能性微球相复合, 观察微球在聚氨酯支架中 的分布, 结果显示微球能够较均匀地分布于支架的孔壁和 孔的里面, 证实了构建这一功能性聚氨酯复合体系的可行 性。进一步的试验结果表明,聚氨酯自组装的胶原 /硫酸软骨素材料支持细胞的生长和增殖, 与单纯的聚氨酯材料 相比较, 胶原和硫酸软骨素组装在聚氨酯表面更有利于滑 膜干细胞的生长及向软骨细胞的分化。目前, 将间充质干细胞移植到骨缺损部位为替代骨缺 损的治疗拓宽了选择范围。 Moshaverinia 等 25将牙周膜干 细胞和牙龈间质干细胞包封在精氨酸-甘氨酸

26、-天冬氨酸 三肽 (Arg-Gly-Asp, RGD 修饰的藻酸盐微球, 移植到免 疫受损小鼠直径 5 mm颅骨缺损模型中。结果证实,与 具有较大直径的非含 RGD 藻酸盐水凝胶的微球相比, 含 有 RGD 微胶囊化系统显著增强间充质干细胞的生存能 力和成骨分化。 水凝胶能够促进牙周膜干细胞矿化组织 的形成, 提示将干细胞包封在 RGD 修饰藻酸盐水凝胶支 架,用于颅面骨再生是有希望得到的,这种治疗方式为 牙科和整形外科提供了许多潜在的应用。 Sun 等 26利用 物理交联制备壳聚糖 /胶原 /-GP 热敏感型可注射水凝 胶, 将携带携狗犬骨髓间充质干细胞的水凝胶经皮下注 射到裸鼠背部, 观察

27、到局部骨形成中水凝胶含有骨分化 前期的犬骨髓间充质干细胞,表明在该水凝胶的作用 下, 骨髓间充质干细胞不需要外界成骨因子的持续作用 下就可以诱导骨的分化。 叶辰等 27合成了可降解的聚富 马酸丙二醇酯, 并与 N -乙烯基吡咯烷酮共聚, 通过改变 溶剂 1, 4-二氧六环的量制备出溶胀性能不同的聚富马 酸丙二醇酯水凝胶。选择 10% N-乙烯基吡咯烷酮和 20%聚富马酸丙二醇酯的聚合体系,掺入 3%的纳米羟 基磷灰石,以粒子氯化钠做为致孔剂,制备的纳米复合 多孔水凝胶孔径在 280-450 m ,其压缩模量提高了 61%。模拟体液矿化 10 d的结果显示,磷灰石成核位点 的存在和良好与外界液体

28、环境物质交换的能力, 促进了多 孔水凝胶表面磷灰石的沉积, 说明羟基磷灰石的复合可以 有效提高聚富马酸丙二醇酯多孔水凝胶的成骨活性。3 问题与展望 Problems and prospects虽然理想的三维基质材料已经在过去几年中取得了 很大的进展, 然而骨组织工程对智能水凝胶各种特性参数 的要求是复杂的,如:降解速率、机械强度、孔隙率、孔 径、孔的微结构、表面化学、与无机材料的嵌合等因素, 都不足以满足生物体特殊的组织工程应用需求。在水凝 胶材料主体结构上复合以各种信号因子, 进而实现材料 体系的多效用、多功能,将成为构建组织工程材料的发 展趋势 24。同时寻求良好的宏观发展和制造技术将构成

29、 再生医学领域研究工作的核心。 通过使用水凝胶三维聚合 物支架, 人工操纵细胞功能和人工控制微环境释放生物治 疗剂, 将很可能开发出新的治疗方法和技术, 从而用于骨 类等硬组织的修复和再生及其他健康保健领域。作者贡献:刘建国老师进行文章方向指导、 评估, 杨琳完成资料收集及成文, 刘建国老师、 管晓燕老师及陈黎明老师对 434www. CRTER .org文章进行审校。利益冲突 :所有作者共同认可文章无相关利益冲突。 伦理问题 :未涉及与伦理冲突的内容。文章查重 :文章出版前已经过 CNKI 反剽窃文献检测系统进行 3次查重。文章外审 :本刊实行双盲外审制度, 文章经国内小同行外审专家审核,符

30、合本刊发稿宗旨。作者声明 :第一作者对于研究和撰写的论文中出现的不端行为承担责任。论文中涉及的原始图片、数据(包括计算机数据 库记录及样本已按照有关规定保存、 分享和销毁, 可接受核查。文章版权 :文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版 权相关协议。4 参考文献 References1Bajpai AK, Shukla SK, Bhanu S, et al. Responsive Polymers In Controlled Drug Delivery. Prog Polymer Sci. 2008;33(11: 1088-1118. 2Hamley IW, Cheng G, Castell

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