摘要：组织工程是指利用可降解生物支架、种子细胞和生物因子结合，来恢复机体原有的组织结构和功能的一项生物技术。水凝胶作为一种特殊的支架材料，具有与天然细胞外基质非常相似的三维结构，同时具有可调节的生物化学性质和生物物理性质来控制细胞粘附、迁移、增殖等多项细胞活动，对研究人员有着很强的吸引力。通过天然衍生物材料、合成聚合物或将其组合制备各种类型的水凝胶，均显示了它们在组织工程方面的前景。鉴于水凝胶在组织工程中的重要价值，本文将重点综述组织工程使用的水凝胶的制备材料以及多种不同的交联方法的最新研究进展，对细胞功能的影响以及对组织再生的促进作用。 关键词：组织工程；水凝胶；细胞外基质；组织再生
前言
组织工程（Tissue engineering, TE）是由疾病和创伤引起的组织损伤的有效方法，与传统的方法相比，它具有许多优点。为了能够达到理想的结果，由各种生物材料制成的支架被用于组织工程中，其可容纳足够数量的细胞并控制细胞亲密 2001版的功能。
在各种不同类型的支架材料中，水凝胶由于其与体内细胞微环境的相似性和物理化学性质可调节性，倍受到组织工程领域的关注。水凝胶通常是通过物理或化学交联将亲水性聚合物溶液转化为三维网络结构来制备的。在此过程中，水凝胶可均匀地封装细胞，并为细胞提供类似于天然细胞外基质(Extracellular Matrix，ECM)的3D微环境。细胞的行为和在体内的功能受周围ECM产生的刺激的影响。以类似的方式，水凝胶提供的结构和物理化学环境控制嵌入细胞的功能，从而指导组织再生。通过选择不同的生物材料、交联方法和制备策略，可以设计和控制水凝胶的结构和物理化学性质。本文重点综述了功能性水凝胶在组织工程应用中的最新进展并介绍用于水凝胶制备的材料和交联方法，讨论了功能性水凝胶面临的挑战和未来展望。
一、功能性水凝胶的制备标准及材料
制备组织工程应用水凝胶的标准有多种。首先，材料和交联剂应该与活细胞和生物因子(例如，生长因子)相容。其次，在温和条件下容易制备工艺。第三，水凝胶降解产物对细胞和组织无毒性。用于制备TE水凝胶的材料可以简单地分为天然聚合物和合成聚合物。
由天然高分子制备的水凝胶具有生物相容性、生物降解性以及与天然组织相似的微环境等
优点。用于水凝胶制备的天然聚合物的材料包括基于蛋白质的材料（如明胶、胶原蛋白、纤维蛋白和纤维素）和多糖基材料（如透明质酸（HA）、硫酸软骨素（CS）、藻酸盐、壳聚糖等）。胶原蛋白作为各种组织的主要ECM成分，是一种经常使用的水凝胶准备陶晓明死亡材料。【1】明胶，作为胶原蛋白的衍生物，与胶原蛋白相比具有更高的溶解性和更低的成本，也是一种经常使用的用于水凝胶形成材料【2】。用明胶代替胶原蛋白制备水凝胶是各种TE的良好候选材料。例如，可注射明胶-甲基丙烯酰（GelMA）水凝胶为软骨TE制备【3】。在这些水凝胶中培养的软骨细胞显示出优异的生物活力和理想的功能。HA作为糖胺聚糖在体液和天然ECM中普遍存在。因此，它已被用于制备各种水凝胶的制备，广泛用于软骨、皮肤和许多其他TE的培养。例如，据报道，HA分子可以通过CD44受体与间充质干细胞（MSCs）结合并促进软骨生成【4】。CS是在软骨组织ECM中存在的线性结构的硫酸化糖胺聚糖，在CS水凝胶中培养的软骨细胞具有圆形形态、增强的基因表达和软骨ECM的分泌【5】。其他多糖基材料，如海藻酸盐(从细菌和褐藻中提取)和壳聚糖(从蟹和虾壳中提取的甲壳素)，由于其生物相容性、可降解性和易于修饰，也通常用于水凝胶的制备。
另一方面，合成聚合物由于其可控性、重现性和良好的机械性能也显示出广泛的应用于水
凝胶的制备【6】。TE水凝胶的代表性合成聚合物包括聚乙二醇(PEG)、聚乙烯醇(PVA)、聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)【7】和聚丙烯酰胺(PAM)【8】。PEG和PVA具有低毒性，使它们广泛用于充满细胞的水凝胶和药物载体。然而，由于缺乏生物活性，相对于天然材料，这些合成聚合物的生物相容性欠缺。与天然材料杂交是综合天然成分和合成成分优点的于一身的有效且简便的方法制备水凝胶方法。据报道，PAM、PVA、PNIPAM和PEG水凝胶与明胶共混后生物相容性显著提高。与合成水凝胶中培养的细胞相比，这些杂交水凝胶中的细胞扩散和增殖增强。此外，不同天然材料的杂交也表现出良好的吸附能力。例如，海藻酸盐被交联到光聚合明胶水凝胶网络中以产生海藻酸盐或明胶混合水凝胶【9】。该水凝胶具有良好的生物相容性和增强的力学性能，被证实具有促进骨组织再生的功能。
二、功能性水凝胶的交联方法
亲水性聚合物链交联形成水凝胶的方法很多，通常根据材料的化学性质和预期的功能来选择。一般来说，它们可以分为物理和化学交联方法。
读写结合2.1物理交联法
物理交联水凝胶可以在非常温和的条件下制备，无需使用对细胞造成毒性的或可能影响水凝胶封装的生物分子的活性的交联剂。用于TE的物理交联水凝胶的制备方法很多，如离子相互作用、客体相互作用和热凝胶化。
（1）离子交联
由于交联过程温和，离子交联方法经常用于封装细胞和药物。通过离子交联形成的最具代表性的水凝胶是海藻酸钠水凝胶。交联是通过将古龙酸中的钠离子与二价阳离子(如钙)交换以形成连接区。这种物理交联的海藻酸水凝胶不仅具有生物相容性，而且由于海藻酸和钙离子中的α-L-古龙酸的可逆解离和重新结合，还具有自愈合和应力松弛等多种功能。然而，在生理条件下使用时，应考虑离子水凝胶的稳定性。例如，交联海藻酸钙水凝胶在0.9%的氯化钠溶液中，由于钙离子与钠离子的交换而失去稳定性。
（2）热凝胶
热凝胶化是通过改变温度来建立物理交联的方法。例如，PVA的结晶通过几个重复的冻融循环来制备物理交联水凝胶。这些物理交联的PVA水凝胶具有许多特性，如溶胀度高和机
械度强等特点。当温度低于上临界溶液温度（UCST）时，由于分子间氢键的形成，明胶溶液变成水凝胶。相比之下，由于氢键和疏水效应之间的平衡，当温度高于较低临界溶液温度(LCST)时【11】。其他一些大分子聚合物，如PNIPAM，变成水凝胶。这些温度响应聚合物可以在生理温度附近改变溶胶和凝胶之间的相，从而使水凝胶可注射。基于PNIPAM的可注射水凝胶已经用于心肌细胞的包封，并且包封的细胞具有高活性和成熟的表型【12】。
2.2美罗华化学交联法
企业家天地化学交联水凝胶比物理交联水凝胶具有更好的稳定性能，这是因为它具有更强的结合能力和较高的柔韧性。水凝胶形成水溶性聚合物具有许多官能团，如-OH、-COOH和NH2。通过使用戊二醛和EDC/NHS在这些官能团之间共价键合可以建立3D网络。然而，交联剂的毒性和工艺要求限制了TE的应用。例如，像戊二醛和碳二亚胺这样的小分子交联剂已被报道具有毒性，并且不推荐用于制造用于填充细胞的水凝胶。最常见的化学交联法主要是光聚合法。
光聚合由于其生物相容性和空间可控性而广泛应用于水凝胶的制备。通常，通过光反应部
分（如甲基丙烯酸酯或丙烯酸酯基团）修饰大分子。光引发剂的大分子溶液可以在紫外光或可见光下进行交联。光引发剂可以产生自由基，这些自由基被转移至改性大分子中的光反应性碳双键基团并开始进行链聚合。然而，在高光照射下，光引发剂会产生大量的自由基，这些自由基可能与细胞内分子发生反应而导致细胞损伤。这个问题可以通过减少光能和光引发剂的量来解决。据报道，高密度的甲基丙烯酸酯基团通过淬灭自由基保护封装的细胞。该方法可用于由各种聚合物制备水凝胶，并且各种类型的细胞可被封装于水凝胶中【13】。
3、结论与展望
水凝胶的结构和理化性质的控制在TE的应用中具有重要意义。细胞首先感受到来自周围水凝胶基质的信号，这使得水凝胶的物理化学性质对于细胞功能至关重要。水凝胶的各种结构可以进一步改变微环境，并通过微通道结构或微环境提供空间流动刺激的可能性。各种各样水凝胶的制备已经被用于开发各种TE伊甸园信箱中的组织和器官。尽管水凝胶的制备取得了各种进展，但水凝胶生化性质和生物物理性质有待进一步改善，以及仿生结构的水凝胶值得进一步研究。
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