背景介绍

创伤性脑损伤（TBI）的发病机制是一个复杂且多步骤的过程。原发性脑损伤一般是指颅骨变形、颅内出血、脑组织挫伤、轴索损伤等外力对神经组织造成的直接损伤。继发性脑损伤发生在损伤后数分钟，持续很长时间，包括离子稳态紊乱、兴奋性毒性、氧化应激、炎症和细胞死亡。

与原发性脑损伤相比，继发性脑损伤带来的危害更为严重： 

1、损伤后的炎症环境：神经炎症有助于促进组织修复，但神经炎症是短暂的和自限性的，它会导致组织退化的慢性炎症状态。促炎环境的特征是细胞因子和活性氧的存在增加，抑制正常细胞功能并维持组织处于反应状态。抗炎反应过程中，细胞碎片会在病变部位积聚，并抑制修复过程。炎症促进天然CNS细胞（尤其是神经胶质细胞）逐渐增加，以兴奋性毒性、氧化应激和细胞活化的形式引起生化稳态的破坏。

2、反应性星形胶质细胞、巨噬细胞和死神经元等神经损伤导致神经胶质瘢痕组织形成。这可能导致神经元细胞和细胞外基质（ECM）丢失，在神经胶质细胞中形成空腔和疤痕组织。神经胶质瘢痕组织对轴突再生有不利影响，但可能有益于抑制空腔形成，并在重建BBB中发挥作用。

3、创伤性事件或缺血过程可能导致BBB破坏，从而引起血源性细胞渗漏到神经元组织，导致脑水肿和神经炎症。脑水肿和血肿的长期压缩力可通过扭曲脑组织，升高颅内压和减少脑血流量进一步损害脑功能。

4、损伤、炎症和细胞反应性的进展可导致脱髓鞘、轴突降解和神经元死亡。神经元丢失既是急性又是慢性退行性过程，是治疗中枢神经系统损伤时要预防的中心病理结果。由于病变部位的可及性有限、组织的空间复杂性、组织性、天然细胞缺乏再生特性、损伤机制高度不同以及治疗窗口狭窄，治疗CNS损伤的治疗策略一直面临挑战。有必要制定多功能、组合治疗策略，以更好地解决伴随中枢神经系统损伤的有害后遗症的广度。

水凝胶（Hydrogel）是交联的亲水性聚合物结构，能够膨胀到比其在溶液中的干质量大几个数量级，这使得它们适合包封细胞和小分子，如药物和肽。此外，它们亲水主链的羧基、酰胺、胺和羟基的化学修饰提供了极大的灵活性，可用于偶联其他分子或部分。水凝胶因其柔软的材料特性和生化可调性而广泛应用于CNS损伤治疗研究，因为它们可以满足许多设计考虑因素，包括天然组织的机械强度、生化信号、电场以及对环境变化的响应。

在TBI损伤修复的阶段面临的问题有：过度炎症反应、兴奋性毒性、氧化损伤、脑疝、神经元及轴突丢失、血管增生/缺失、瘢痕增生等。损伤会导致大脑中不可逆转的细胞损失。水凝胶是潜在的物质，可以通过适当的设计来增强脑组织样特性，用于增强脑损伤后的神经与组织修复。

可注射水凝胶

可注射水凝胶的突出优点是可以利用针头、气雾剂或关节镜器械轻松地将其递送到身体的各个部位/器官，不会引起患者的不适，从而避免了切口手术。可注射水凝胶与传统的预成型水凝胶相比，能给患者带来更小的创伤、更少的出血量、更短暂的手术时长和快速的康复。 

广泛用于脑损伤修复研究的可注射水凝胶聚合物分为天然材料和合成材料：

1. 天然水凝胶材料是基于ECM的天然成分，如透明质酸，胶原蛋白/明胶，藻酸盐，壳聚糖，纤维素，明胶等，具有高生物相容性和降解速率，更易获得，更能刺激细胞生物学功能。但难以精确定制材料的各种性能。

2. 合成高分子水凝胶受到了广泛的关注。广泛用于CNS的合成材料的水凝胶通常由聚乙二醇（PEG），PHPMA等。与天然材料相比，合成水凝胶的各种关键参数更可控，以更好地适应颅内损伤环境。

3.自组装水凝胶：由天然、合成或混合水凝胶组成，能够与自组装蛋白质结合。自组装肽（SAP）是自组装水凝胶的主要类型，能够在没有有毒交联剂和化学物质的情况下进行溶胶-凝胶转化。自组装肽水凝胶分为离子互补水凝胶、肽两亲水凝胶、π-π堆积水凝胶、β3-肽水凝胶等。

刺激响应水凝胶

刺激响应性水凝胶可以响应内部/外部刺激或生理/病理环境刺激而发生性质、结构和功能的可逆或不可逆变化，并进一步提高对疾病的治疗效果。刺激反应水凝胶可以在不损伤正常细胞和组织的情况下快速检测和响应刺激，从而大大提高治疗效果并减少副作用。

用于制备刺激响应型水凝胶的材料可分为：

1. 热响应水凝胶：通常含有随着温度变化而改变物理和构象性质的疏水基团（如甲基、乙基和丙基）。天然聚合物包括多糖（纤维素、壳聚糖和木葡聚糖等）、蛋白质（明胶）等。合成聚合物包括pNIPAAm、聚（有机磷腈）和C₂H₇N（甲基丙烯酸乙酯）等。

2. 光响应水凝胶由聚合物网络组成，包括具有可逆交联和光热能力的光敏部分。光敏部分在光的刺激下，捕获光信号，并通过异构化、裂解和二聚化的反应将其转化为化学信号，引起收缩溶胀或交联。

3. pH响应性水凝胶：含有酸性或碱性基团，在碱性环境中阴离子去质子化，酸性基团带负电荷，阳离子的情况与之相反。多源自如亚胺键和酰腙键这类pH敏感性共价键。天然高分子材料包括壳聚糖、羧甲基纤维素、海藻酸钠,人工合成材料有聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸等。

4.磁性响应水凝胶：通过将磁性纳米颗粒掺入交联聚合物中来合成的。这些粒子响应磁场而改变其结构、性质和功能，常见的磁性纳米粒子包括Fe3O4、Fe3O4@SiO2, Zn0.47Mn0.53Fe2O4, γ-Fe2O3, and Co3O4。

5.电响应水凝胶：可以响应电场刺激以改变其结构和性质。通过在水凝胶基质中加入电活性材料来合成的，常见的电活性材料分为两类：天然材料（如金属）和无机与有机导电材料（如石墨烯、碳纳米管、PPy）等。

6.氧化还原响应性水凝胶：借助疾病中高水平的ROS和GSH、断裂二硫键(-S-S-)和二硒键（-Se-Se-）而实现凝胶解体和药物释放。

自愈合水凝胶

具有自愈特性的生物材料是有利的，因为它们在治疗期间支持组织的完整性和功能，因此可以确保治疗的长期有效性。 自愈材料具有无需外部干预即可恢复组织完整性的能力，可以弥合间隙并将治疗剂/细胞输送到受伤部位。自愈合材料的特征在于形成可逆共价键（例如二硫化物，肟，亚胺）或非共价键（例如金属 - 配体配位，氢键和静电相互作用）。在裂缝处键被切割，但它们的可逆性质允许重整。

根据愈合机制可分为物理自修复和化学自修复水凝胶：

1. 物理交联，如氢键，宿主-客体，金属配位，疏水，静电和偶极-偶极相互作用，可以应用于制备自修复水凝胶。通过物理交联获得的自愈性能一般是自主的，但水凝胶的机械性能不佳。

2. 可逆的化学交联，包括希夫碱键、硼酸盐键、二硫键、腙键和Diels-Alder环化反应也适用于构建自愈合水凝胶。由可逆的化学交联产生非自主的自愈机制，得到的水凝胶具有优良的机械性能，而自愈性能需要外部刺激，如温度、光、pH值、盐、或磁力。因此，自愈水凝胶的制备过程通常是通过多种动态相互作用的组合进行的。

可粘附水凝胶

水凝胶支架应紧密粘附并适应缺陷部位，促进愈合/再生并避免进一步损坏。粘附性是一个很大的优势，因为中枢神经系统损伤通常位于难以到达的区域，保证治疗性保留，防止其移位或迁移到其他身体部位。生物粘合剂通过与宿主组织形成化学（共戊烯或非共价）键起作用。在形成的键的函数中可以区分四种主要的粘合机制：弱非共价范德华键、共价键、基于粘合剂和组织相反电荷的非共价静电相互作用、机械互锁。

用于制备可粘附水凝胶的材料可分为：

1. 合成生物粘合聚合物，如CA、基于聚乙二醇 （PEG） 的粘合剂。

2. 天然聚合物，基于纤维蛋白、白蛋白、壳聚糖、硫酸软骨素和明胶等的生物粘合剂。

3. 仿生胶粘剂，贻贝粘附蛋白（儿茶酚基团）、多巴胺（氢键;金属络合和π-π堆积，儿茶酚/醌基团和硫醇/胺基团之间）、邻苯二酚化合物等。

导电水凝胶

生物电刺激对于参与神经元之间神经递质依赖性相互作用的神经系统信号转导至关重要。人脑的电导率在0.63至2.43 ms/cm之间，信号转导速度约为7000 m/s。导电生物材料可以模仿健康神经元之间产生的神经递质，促进了神经元对神经元的信号传输以及神经元与其他相邻细胞之间的通信，增加神经元的电导率，因此，增强了神经突生长和细胞粘附。目前，许多导电材料已经见证了在损伤后中枢神经系统再生中的应用。

就导电性而言，聚合物水凝胶可分为两类，例如离子导电水凝胶（聚合物水凝胶）和导电聚合物水凝胶。

1. 离子导电聚合物水凝胶由于水凝胶和离子导体有趣特性的结合，在许多高级应用中具有巨大潜力。在这些离子水凝胶中，聚合物网络使水凝胶可拉伸，而伴随水分子的移动离子使离子水凝胶导电。

2. 导电聚合物是可以通过 π电子共轭作用通过聚合物链导电的有机聚合物。此处，导电聚合物链中的原子通过共轭不饱和键连接，从而通过聚合物的共轭键使电子离域。

3D打印水凝胶

在细胞周围环境上的力不仅影响细胞结构形状，还影响细胞的行为。生物支架的物理性质和表面形貌引导线索，对中枢神经细胞反应很重要。3D打印已经成为一种很有前途的细胞图案化工具。3D打印人类干细胞可以创建复杂的多层大脑皮层组织，更真实地模仿人类大脑的结构水凝胶，既可以在挤压过程中保护细胞，又可以在打印后的培养过程中为打印结构中嵌入的细胞提供生物信号。当植入小鼠脑切片时，这些结构与宿主组织融为一体。该技术最终可能会发展成量身定制的修复来治疗脑损伤。

凝胶相生物墨水的材料要求： 流变性、剪切模数、屈服应力、粘度、剪切稀化、自我修复、打印后的机械性能、生化特性。

1. 天然水凝胶由自然来源的高分子合成，包括藻酸盐、纤维蛋白、胶原蛋白、透明质酸、基质胶、琼脂糖及明胶等。

2. 人工合成水凝胶多由乙烯基或具有乙烯基活性的单体聚合形成，包括聚乙二醇（PEG）、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、PU、凝胶肽等。

皮质再生的一个关键前提是SVZ或SGZ中内源性NSC的有效激活、迁移和分化。在胚胎大脑中平行排列的径向胶质细胞（RG）能够引导神经元的定向迁移以响应脑损伤。因此，具有对齐结构的生物材料被认为对脑损伤修复的神经迁移和神经源性分化具有积极影响。排列结构的生物材料提供了支持平台和有利的形态，有利于干细胞分化和直接轴向轴突延伸。

静电纺丝是目前制备纳米超细纤维的最佳方法，用作静电纺丝溶液的水凝胶前体：目前，以明胶透明质酸、丝素等生物高分子为原料制成的静电纺丝力学性能较差。因此，有必要通过交联等方法促进纤维中相关化学基团的反应，以提高其力学性能。

自组装水凝胶

目前，研究人员们已经开发出了各种基于化学交联或超分子自组装形成的人工ECM。其中，自组装多肽水凝胶由于其优异的细胞黏附性和生物可降解性，在临床上受到了广泛的应用。自组装肽可以量身定制，以便与植入它们的细胞，细胞因子和组织密切相互作用。 自组装肽（SAP）水凝胶：包括三链胶原螺旋和β折叠，但以β折叠和α-螺旋SAP水凝胶为主。β-肽材料通常包含数个到数十个氨基酸。α-螺旋肽通常大于10个氨基酸。基于α-螺旋肽的水凝胶的形成通常需要约20个残基。两种类型的SAP水凝胶均形成有序的纳米结构。最常见的是纳米纤维的变体形成有序的网络，这些网络组装成高度组织化的支架，为保留了非常高的水含量的水凝胶形式。

自组装现象由许多弱的非共价相互作用组成：（i）氢键，（ii）芳族堆积，（iii）静电相互作用，（iv）范德华相互作用和（v）疏水相互作用。通过系统设计或组合库选择，可以生产多种SAP。

功能载体凝胶

水凝胶因其良好的亲水性、生物相容性以及与细胞外基质（ECM）类似的三维（3D）多孔结构而成为良好的功能载体。水凝胶不仅可以负载小分子药物、蛋白等大分子，还可以负载纳米囊泡和纳米粒等纳米材料，使得水凝胶的功能也从单一的物理覆盖或单一功能转变为现在多种功能的组合，并呈现出进一步智能化的趋势。

用于治疗创伤性脑损伤水凝胶功能载体设计有：

1. 加载干细胞。

2. 加载外泌体。

3. 血管生成。

4. 抗氧化 。

5. 活性氧清除。

6. 细胞免疫调节。

7. 内源性神经发生。

8. 抑制神经元焦亡。

心肌是心壁的厚中间层，主要由心肌细胞组成。当该组织受伤或受损时，可能会对心脏功能和整体健康产生重大影响。心肌梗塞是心肌组织损伤的最常见原因，缺血缺氧环境会导致心肌细胞不可逆转地死亡。缺血受损区域最终会形成瘢痕组织，仅提供结构支撑而失去收缩功能。水凝胶通过提供机械支撑、输送治疗剂、减少疤痕形成、促进血管生成以及增强治疗细胞的存活和功能，为心肌修复提供了一个多功能平台。虽然该领域仍在积极研究和开发中，但基于水凝胶的方法在改善心脏损伤的治疗和促进心脏组织再生方面具有巨大的潜力。临床试验和正在进行的研究旨在进一步完善这些技术以用于心脏病患者。

水凝胶在心肌组织修复领域的应用有：

1. 药物递送和控制释放。

2. 细胞递送和封装。

3. 促进血管再生。

4. 调节创伤后炎症反应。

5. 电信号传导。

用于制备心肌修复材料的水凝胶有以下几类：

1. 天然高分子材料：如胶原蛋白、明胶、壳聚糖、脱细胞基质、海藻酸钠、透明质酸等及其化学改性衍生物。此类材料有利于细胞的粘附和迁移，可以作为细胞生长的支架。

2. 人工合成高分子材料：如聚乙二醇（PEG）、PNIPAAm、聚乙烯醇 (PVA)、聚氨酯等。此类材料在机械性能和降解率方面高度可调。它们具有生物相容性，但缺乏细胞粘附位点，通常和其他材料或药物、生长因子等联合使用。

3. 复合水凝胶材料：结合天然高分子材料和合成高分子材料的优点，有时可负载功能性纳米材料，得到机械性能、生物学效应更好的复合水凝胶。

4.功能化水凝胶材料：通过引入纳米材料或药物等，赋予水凝胶导电性、促血管化作用、抗炎作用等，提高受损心肌电信号传导，促进受损组织再生。

组织工程支架

组织工程支架可以为神经细胞提供生长的微环境，使细胞能够迁入受损部位进行修复。同时，利用3D生物打印技术构建的水凝胶材料，还可以实现孔径大小、密度、孔道取向的设计，更有利于神经轴突的排列。水凝胶组织工程支架可以通过负载多功能药物或纳米材料，促进神经细胞的生长和轴突形成，促进电信号传导，恢复神经功能。

用于制备脊髓神经修复组织工程支架的水凝胶有以下几类：

1. 蛋白类材料：如胶原蛋白、纤维蛋白、明胶等及其化学改性衍生物。此类材料有利于细胞的粘附和迁移，可以作为细胞生长的支架。

2. 天然多糖类材料：如透明质酸、海藻酸钠、壳聚糖等。此类材料有利于细胞生长，生物相容性好，对神经附着和增殖也有一定的促进作用。

3.人工合成高分子材料：如聚乙二醇（PEG）等。此类材料在机械性能和降解率方面高度可调。它们具有生物相容性，但缺乏细胞粘附位点，通常和其他材料或药物、生长因子等联合使用。

细胞递送和封装

干细胞移植已被研究作为脊髓损伤的潜在疗法，以促进受损轴突的再生。使用脂肪干细胞（ADSC）具有多种优点，例如丰富的可用性、低免疫原性、出色的扩增潜力以及对细胞采集的侵入性技术的要求。一些临床前研究已经证明ADSCs以旁分泌方式修复SCI的潜在能力。

用于制备脊髓神经修复组织工程支架的水凝胶有以下几类：

1. 蛋白类材料：如胶原蛋白、纤维蛋白、明胶等及其化学改性衍生物。此类材料有利于细胞的粘附和迁移，可以作为细胞生长的支架。

2. 天然多糖类材料：如透明质酸、海藻酸钠、壳聚糖等。此类材料有利于细胞生长，生物相容性好，对神经附着和增殖也有一定的促进作用。

3.人工合成高分子材料：如聚乙二醇（PEG）等。此类材料在机械性能和降解率方面高度可调。它们具有生物相容性，但缺乏细胞粘附位点，通常和其他材料或药物、生长因子等联合使用。

药物递送和控制释放

水凝胶可以作为各种治疗剂的载体，包括生长因子和药物。这些药物通常对于促进组织修复和再生至关重要。水凝胶可以封装和保护这些药物，从而在损伤部位实现受控和持续释放。

实现药物递送和控制释放的设计方案有以下几种：

1. 靶向修饰：受损组织和细胞的特异性靶向能够提高药物的利用率，以水凝胶作为载体，递送靶向修饰的药物，在损伤部位原位给药能够更有效发挥治疗作用。

2. 引入响应基团：通过设计对损伤部位ROS或其他特异性表达的响应，可以加速药物的释放。

3. 引入功能性基团：一些功能性基团，例如磺酸基团、肝素等能够保护生长因子活性，实现长期有效释放。

调节创伤后炎症反应

心肌梗死（MI）是缺血性心脏病的常见表现。创伤后会引起组织炎症因子大量分泌，造成炎症环境。缺血组织的血流再灌注伴随着有毒活性氧（ROS）的过量产生，ROS破坏细胞结构，进一步损害心肌组织。此外，慢性或过度炎症会引发心脏中胶原蛋白和纤维组织的产生，这一过程称为纤维化。这种纤维化组织会干扰正常的心脏功能并导致心肌僵硬。

实现炎症微环境调节的设计方案有以下几种：

1. 设计具有ROS清除作用的水凝胶。

2. 递送抗炎药物或蛋白、多肽等。

3. 气体治疗清除ROS（如H₂S、NO）。

4. 干细胞及其衍生物治疗。

5. 递送免疫调节剂。

导电水凝胶

一些导电水凝胶具有传输电信号的能力。在研究环境中，这些水凝胶可用于向心肌细胞提供受控的电刺激。这种刺激可以帮助心肌细胞同步跳动并促进其正常功能。导电水凝胶还可以设计用于掺入和释放生物活性分子或药物。这一特征允许将治疗剂局部且受控地递送至受损的心肌组织。导电水凝胶通常是基于水凝胶的材料，其包含导电成分，例如碳纳米管、石墨烯或导电聚合物（例如PPy或聚苯胺）。

导电水凝胶在心肌组织再生中可以实现的作用如下：

1. 增强心肌细胞（心肌细胞）之间的电耦合。

2. 弥合损伤部位间隙并改善受损组织内的电连接性。

3. 为心肌细胞粘附并在其中生长提供三维支架。该支架模仿心脏组织的天然细胞外基质，支持细胞粘附、增殖。

4. 向心肌细胞提供受控的电刺激，以帮助心肌细胞同步跳动并促进其正常功能。

5. 递送和释放生物活性分子或药物。

可粘附水凝胶

可粘附水凝胶可以作为心脏贴片，直接涂抹或贴在梗死区域表面，牢固地粘附在组织上，将其中递送的药物、细胞、细胞因子等成分缓慢释放到梗死区域，增加作用时间。可粘附水凝胶还可以作为导电材料的载体，耦合心肌细胞之间的电信号传导，恢复心肌组织收缩。

用于制备可粘附水凝胶的材料可分为：

1. 利用仿生结构，如仿贻贝丝足蛋白的邻苯二酚结构。

2. 利用组织间化学键，如利用活性酯、醛基、巯基等与组织间氨基反应。

3. 利用氢键作用 。

水凝胶微针

微针（MN）作为局部药物输送和持续药物释放的先进技术平台而出现。MN可以通过微创方式穿透透皮层进入内部组织，并已被应用于治疗伤口愈合和神经性疼痛。另一方面，微针可以用作受伤心脏上的生物相容性补片，以提供机械支撑并防止心脏破裂。

水凝胶微针在心肌组织修复中发挥的作用有：

1. 精确和局部的药物输送：水凝胶微针的设计是微创且精确的输送。它们可以装载治疗剂，例如生长因子或再生细胞，并直接插入受损的心肌。这允许将局部和有针对性的药物输送到梗塞或受伤区域。

2. 受控药物释放：水凝胶微针可以设计成以受控和持续的方式释放治疗剂。这确保了梗塞区域在较长时间内持续获得生长促进物质的供应。

3. 监测和成像：在某些情况下，水凝胶微针可以结合传感器或成像剂来监测愈合过程、心脏功能以及与宿主组织的整合。

自修复/可注射水凝胶

自修复/可注射水凝胶具有更好地可操作性，能够在心肌损伤部位原位定点注射，根据心包腔的形状和动态特征进行定制，适应性更强，通过微创治疗能够降低治疗难度。

根据愈合机制可分为物理自修复和化学自修复水凝胶：

1. 物理自修复水凝胶：通过在分子、低聚物或聚合物链之间形成动态非共价相互作用（包括疏水相互作用、主客体相互作用、氢键、结晶、聚合物-纳米复合材料相互作用和多种分子间相互作用）来重建网络，如利用单宁酸、金刚烷-环糊精主客体组装、葫芦脲等。

2. 化学自愈合水凝胶：通过动态共价键形成重建网络，包括苯基硼酸酯、二硫化物、席夫碱（亚胺） 、酰腙、可逆自由基反应和可逆狄尔斯-阿尔德环加成反应。

背景介绍

脊髓神经是周围神经系统的重要组成部分，它们在中枢神经系统(CNS)和身体其他部位之间传递感觉和运动信息方面发挥着至关重要的作用。中枢神经系统(CNS)(包括脊髓)的再生能力有限。脊髓损伤会引发炎症反应，从而加剧组织损伤。受伤部位最终会形成疤痕组织，可以抑制神经纤维(轴突）的再生。修复脊髓神经损伤是一个具有挑战性和复杂的医学问题，目前还没有完全成熟的脊髓完全再生方法。水凝胶是修复脊髓神经损伤的一个有前景的研究领域，用于脊神经修复的水凝胶除了基础的生物相容性外，还需具有支持神经再生和修复的特性。

水凝胶在脊髓神经修复领域的应用有:

1. 组织再生支架。

2. 细胞递送和封装。

3. 药物递送和控制释放。

4. 调节创伤后炎症反应。

5. 电信号传导。

组织再生支架

组织工程支架可以为神经细胞提供生长的微环境，使细胞能够迁入受损部位进行修复。同时，利用3D生物打印技术构建的水凝胶材料，还可以实现孔径大小、密度、孔道取向的设计，更有利于神经轴突的排列。水凝胶组织工程支架可以通过负载多功能药物或纳米材料，促进神经细胞的生长和轴突形成，促进电信号传导，恢复神经功能。

用于制备脊髓神经修复组织工程支架的水凝胶有以下几类： 

1. 蛋白类材料：如胶原蛋白、纤维蛋白、明胶等及其化学改性衍生物。此类材料有利于细胞的粘附和迁移，可以作为细胞生长的支架。

2. 天然多糖类材料：如透明质酸、海藻酸钠、壳聚糖等。此类材料有利于细胞生长，生物相容性好，对神经附着和增殖也有一定的促进作用。

3. 人工合成高分子材料：如聚乙二醇（PEG）等。此类材料在机械性能和降解率方面高度可调。它们具有生物相容性，但缺乏细胞粘附位点，通常和其他材料或药物、生长因子等联合使用。

细胞递送和封装

干细胞移植已被研究作为脊髓损伤的潜在疗法，以促进受损轴突的再生。使用脂肪干细胞（ADSC）具有多种优点，例如丰富的可用性、低免疫原性、出色的扩增潜力以及对细胞采集的侵入性技术的要求。一些临床前研究已经证明ADSCs以旁分泌方式修复SCI的潜在能力。

用于制备脊髓神经修复组织工程支架的水凝胶有以下几类：

1. 蛋白类材料：如胶原蛋白、纤维蛋白、明胶等及其化学改性衍生物。此类材料有利于细胞的粘附和迁移，可以作为细胞生长的支架。

2. 天然多糖类材料：如透明质酸、海藻酸钠、壳聚糖等。此类材料有利于细胞生长，生物相容性好，对神经附着和增殖也有一定的促进作用。

3. 人工合成高分子材料：如聚乙二醇（PEG）等。此类材料在机械性能和降解率方面高度可调。它们具有生物相容性，但缺乏细胞粘附位点，通常和其他材料或药物、生长因子等联合使用。

药物递送和控制释放

水凝胶可以作为各种治疗剂的载体，包括生长因子和药物。这些药物通常对于促进组织修复和再生至关重要。水凝胶可以封装和保护这些药物，从而在损伤部位实现受控和持续释放。

实现药物递送和控制释放的设计方案有以下几种：

1. 靶向修饰：受损组织和细胞的特异性靶向能够提高药物的利用率，以水凝胶作为载体，递送靶向修饰的药物，在损伤部位原位给药能够更有效发挥治疗作用。

2. 引入响应基团：通过设计对损伤部位ROS或其他特异性表达的响应，可以加速药物的释放。

3. 引入功能性基团：一些功能性基团，例如磺酸基团、肝素等能够保护生长因子活性，实现长期有效释放。

调节创伤后炎症反应

由于创伤后炎症微环境，炎症细胞，例如巨噬细胞/小胶质细胞被激活，释放促炎细胞因子以聚集反应性星形胶质细胞，从而促进神经胶质疤痕形成，阻碍神经再生。因此，调节损伤后炎症微环境对于神经再生至关重要。

实现炎症微环境调节的设计方案有以下几种： 

1. 利用水凝胶材料本身实现炎症细胞的募集和调控：如利用丝素蛋白、胶原等自身能够募集和/或诱导巨噬细胞的材料制备水凝胶。

2. 利用水凝胶释放药物实现炎症细胞的调控：如利用水凝胶缓释白藜芦醇、姜黄素、或其他证明可以调控炎症细胞行为的小分子药物，实现对炎症微环境的改善。

导电水凝胶

导电水凝胶是一种正在探索的用于修复脊神经损伤的创新方法。这些水凝胶具有导电性，可用于弥合受损脊髓组织的间隙，刺激神经再生，并支持受损神经的功能恢复。

导电水凝胶在神经再生中可以实现的作用如下：

1. 电连接性：导电水凝胶旨在增强受损脊髓组织内的电连接性。在脊髓损伤 (SCI) 的情况下，电信号传导中断会导致神经功能受损。导电水凝胶旨在恢复或改善这些电连接。

2. 再生支架：导电水凝胶提供了类似支架的结构，可以植入损伤部位。该支架支持受损区域神经纤维（轴突）的再生。它提供物理指导并防止疤痕组织的形成，疤痕组织会阻碍神经再生。

3. 神经细胞粘附：这些水凝胶经过精心设计，可促进神经细胞的粘附和生长，包括神经元和神经胶质细胞等支持细胞。这有利于新神经网络的形成。

4. 神经营养因子传递：导电水凝胶可以负载神经营养因子和生长促进分子。这些因子以受控方式释放，为神经细胞存活和轴突生长创造有利的微环境。

5. 电刺激：一些导电水凝胶能够向受伤的脊髓组织提供受控的电刺激。电刺激可以帮助激活神经回路、改善连通性并促进功能恢复。

可注射水凝胶

可注射水凝胶是多功能释放系统，它们具有原位胶凝能力，允许局部药物输送，提高其有效性和微创干预。可注射水凝胶对于靶向中枢神经系统，使递送的药物局部持续释放对于神经再生至关重要。

用于制备脊髓神经修复组织工程支架的水凝胶有以下几类： 

1. 蛋白类材料：如胶原蛋白、纤维蛋白、明胶等及其化学改性衍生物。此类材料有利于细胞的粘附和迁移，可以作为细胞生长的支架。

2. 天然多糖类材料：如透明质酸、海藻酸钠、壳聚糖等。此类材料有利于细胞生长，生物相容性好，对神经附着和增殖也有一定的促进作用。

3. 人工合成高分子材料：如聚乙二醇（PEG）等。此类材料在机械性能和降解率方面高度可调。它们具有生物相容性，但缺乏细胞粘附位点，通常和其他材料或药物、生长因子等联合使用。

自修复水凝胶

创伤性脊髓损伤后的神经再生是一个复杂的过程，水凝胶移植物的机械完整性起着至关重要的作用。植入的水凝胶在生理环境中受到各种机械力。它们的有效性可能会受到碎片化和结构倒塌的影响而受到限制。由于缺乏缓慢断裂扩展的能量耗散机制，植入的水凝胶很容易在裂纹后碎裂，导致生物材料移植物的结构崩溃，导致有效持续时间短，从而损害其性能。同时，移植物内部的裂纹和空洞会引起炎症细胞的非特异性侵袭，进一步加剧局部炎症。因此，在神经再生期间维持完整的结构非常重要。开发具有自修复能力的水凝胶能够避免上述问题的发生，自修复水凝胶能够恢复原始状态并保持结构完整性。

根据愈合机制可分为物理自修复和化学自修复水凝胶：

1. 物理自修复水凝胶：通过在分子、低聚物或聚合物链之间形成动态非共价相互作用（包括疏水相互作用、主客体相互作用、氢键、结晶、聚合物-纳米复合材料相互作用和多种分子间相互作用）来重建网络，如利用单宁酸、金刚烷-环糊精主客体组装、葫芦脲等。

2. 化学自愈合水凝胶：通过动态共价键形成重建网络，包括苯基硼酸酯、二硫化物、席夫碱（亚胺） 、酰腙、可逆自由基反应和可逆狄尔斯-阿尔德环加成反应。

水凝胶微球、微凝胶组装体

微球通常用作药物和疫苗的载体。作为支架，微球表现出多种生化和生物物理线索，它们模仿天然细胞外基质环境和组织特异性物理特性。由于其可注射性和可控的稳态结构，微球不仅可以作为细胞的运输工具，还可以为细胞扩增和细胞命运调控提供结构支撑和保护。

水凝胶微球在神经损伤修复的治疗应有可以从以下几方面设计:

1. 递送治疗性药物和生长因子;

2. 递送干细胞;

3. 细胞微球;

4.细胞微球联合生长因子治疗。

骨缺损是指骨组织出现缺失或破坏的情况，例如骨折、创伤、肿瘤切除等。传统的骨缺损修复方法包括自体骨移植、异种骨移植和人造骨替代物等，但这些方法存在供体限制、手术创伤大以及潜在的免疫排斥等问题。因此，寻找一种替代性的骨缺损修复方法成为研究的热点。

骨修复水凝胶材料

水凝胶作为新型骨修复材料的优势：

水凝胶是一种具有高度水合能力的材料，其特点为水含量高、结构仿生可调控、生物相容性好等。由于水凝胶具备一定的机械强度和生物活性，近年来引起了在骨缺损修复领域的广泛关注。水凝胶在骨缺损修复中的应用主要包括骨填充、骨支架、骨粘接等方面，为骨组织再生提供了新的途径。

3D打印水凝胶支架

为有效治疗颅骨缺损、颅面部骨折和软骨下骨损伤等大面积骨缺损，可利用3D打印技术设计定制化的水凝胶支架，使其具备适当机械性能和生物活性，以获得更理想的骨愈合效果。

纳米粒子复合水凝胶支架

纳米粒子可从不同来源获得，并设计成不同形态（如大小、形态、成分），添加其中一种或两种纳米粒子会对组织再生产生不同效果。纳米材料的理化性质多种多样，可设计不同的纳米材料，并将其加入到水凝胶支架中，以增强其功能特性，从而将其应用于骨组织工程领域，以实现对组织再生的各种治疗效果。

常见纳米粒子：脂质体、聚胞胶束、介孔硅胶、金纳米棒、纳米羟基磷灰石（n-HA）颗粒等。

设计难点：纳米颗粒的毒性问题，通过使用生物相容性高的聚合物（透明质酸、壳聚糖或 PEG）或仿生物膜（细胞膜、外分泌膜或囊泡膜）对纳米颗粒（如金纳米棒）进行表面修饰，可降低纳米材料的潜在毒性。

可注射水凝胶支架

可注射水凝胶可填充不规则缺损、改善骨损伤患者的顺应性、促进原位组织再生和再生。透明质酸、硫酸软骨素、壳聚糖、聚乙二醇和聚乙烯醇等多种生物材料可作为骨组织工程注射水凝胶的理想物质。 在注射支架中加入抗菌材料，如季铵盐、铜离子和纳米银颗粒，可用于防止细菌滋生。

胶原蛋白可注射水凝胶

胶原蛋白是一种纤维蛋白，胶原蛋白中的细胞可通过整合素直接迁移到水凝胶支架中，胶原蛋白作为软骨组织的组成部分，因其固有的生物相容性和促进细胞分化的特性，成为修复骨组织尤其是软骨组织的合适材料。

胶原蛋白的主要缺点：机械性能低，降解速度快，限制了间充质干细胞的生长和分化，导致骨修复效果不可持续，可设计胶原蛋白基水凝胶，克服上述难点的同时，促进骨缺损再生修复。

透明质酸可注射水凝胶

透明质酸(HA)是骨组织中重要的糖胺聚糖之一，在软骨中，可构成滑液的主要成分。与胶原蛋白相比，透明质酸来源更广，价格更低，且作为一种内源性物质，HA的免疫原性低于胶原蛋白。

透明质酸有抗炎作用、抑制蛋白多糖释放和降解、阻断前列腺素合成和细胞信号传导。此外，HA 是一种线性多糖大分子，其结构式中含有游离的 OH、COOH 和 N-乙酰基。这些基团可通过修饰以改善其结构组织和物理化学特性，HA 在生物体内可被透明质酸酶、酶和自由基降解。 故可根据其生物功能性，可调活性基团，设计HA可注射水凝胶应用于骨组织工程，以治疗软骨缺损、类风湿性关节炎或骨关节炎。

壳聚糖可注射水凝胶

壳聚糖是一种存在于软骨组织中的 GAGs，它与信号转导、粘附细胞和生长因子有直接或间接的接触，即壳聚糖是与细胞相容的聚合物，可以促进骨再生。壳聚糖可对其氨基葡萄糖残基进行改性（如酰化、烷基化和羧甲基化）以改善其理化性质和生物活性。壳聚糖具备形成多孔结构的能力，其制备的支架的多孔结构对细胞迁移和组织再生起着积极作用。可由此设计壳聚糖注射水凝胶，并利用氧化还原和光导聚合等方式制备使其原位形成坚韧的支架。 希夫碱反应是一种温和的反应，可为设计壳聚糖注射水凝胶网状结构的交联提供温和环境，从而避免壳聚糖长时间暴露于引发剂和长时间辐照导致细胞毒性。

聚乙二醇可注射水凝胶

PEG是经FDA认证的具有优良生物相容性的合成化合物，特点为无毒、无免疫原性、透明、生物可吸收等，可分为线性和多臂材料。可通过多臂做不同官能团的修饰，增加生物应用，设计PEG负载微型RNA，构建基因-水凝胶微环境，使可注射水凝胶具备原位自愈合、抗菌、可降解、超强吸收特性。

聚乙烯醇可注射水凝胶

PVA与PEG相似，也具有生物相容性，能维持潮湿的微环境。PVA常与其他药物或材料结合，构建具有抗菌、生物活性的可注射水凝胶材料。

常见的协同设计材料如：姜黄素、氧化纳纳米粒子、银纳米粒子等。

微凝胶

微凝胶是通过物理交联或化学交联水性网状结构制成的微米级球形水凝胶 设计的微凝胶可包裹大分原蛋白、多肽、金属/非金属离子、小分子药物，在体外保持生物活性，在体内发挥更好的治疗效果。

纳米水凝胶

纳米水凝胶也是通过物理/化学交联水性网状结构制成的纳米级球形水凝胶，具有水凝胶特性。纳米凝胶可用作包装生物活性化合物（如 miRNA 或蛋白质药物）的载体，设计纳米凝胶药载系统，其纳米尺寸和表层面积巨大，应用广泛，可通过负载叶酸、靶向肽或抗体等靶向物质发挥作用，然后通过静脉注射靶向肿瘤或骨关节炎。

纳米凝胶可随pH 值、温度、物理和化学环境等外部条件刺激而明显改变形状或其他特性，从而可设计刺激响应型纳米凝胶，或设计非靶向、不溶性或不稳定的生物活性分子可包裹在纳米凝胶中，通过靶向识别或增强渗透性和滞留性（EPR）效应在炎症部位积聚，应用于骨组织工程领域(包括骨缺损、OA 和 RA 以及骨折)。

背景介绍

牙周炎是由细菌生物膜的形成和破坏性宿主炎症反应所导致的感染性疾病。该疾病可持续破坏牙齿支持组织，严重的牙周炎将导致牙齿松动脱落，并进一步造成牙槽骨丢失，造成后续的修复困难。此外，牙周炎还将加剧全身系统性疾病的进展。

局部细菌生物膜引发牙龈缝隙的炎症，中性粒细胞大量聚集。其他免疫细胞(如巨噬细胞、树突状细胞和γδT细胞)被细菌及其副产物激活，细菌及其副产物产生促炎介质，进一步调节其他免疫细胞和基质细胞的激活。中性粒细胞和成纤维细胞分泌的MMPs和ROS导致牙龈组织破坏，而活化的T细胞、B细胞、成骨细胞和中性粒细胞产生的RANKL刺激破骨细胞前体的分化和破骨细胞的活化，从而吸收骨。

牙周组织再生分为三个主要阶段:炎症期、修复期和重塑期。初期控制病原菌的猖獗，对于严重牙周炎患者，减少牙槽骨的吸收和破坏牙周袋，促进牙周组织再生是牙周炎的重要治疗思路。

功能性牙周炎修复水凝胶

水凝胶是柔软而有弹性的3D网络，具有与细胞外基质(ECM)相似的多孔结构，因此具有封装生物活性分子的潜在能力。 

将水凝胶注射到牙周袋中，然后在原位固化，温度、pH值、光线或其他刺激的变化会触发溶胶-凝胶转变。与预先形成的支架相比，可注射的水凝胶以微创的方式进行，这对于不规则形状的区域是理想的，并且降低了感染的风险。

水凝胶中的三维网络通常是由亲水性聚合物的物理或化学交联形成的，这可以保护生物活性分子免受降解，因为它们能够限制向内扩散的酶。 

水凝胶可以将对化学、物理和生物刺激的反应性引入水凝胶中，按需递送和持续释放生物活性药物，以提高治疗效果。

具有抗菌作用的的水凝胶：

牙周炎的主要治疗方法是通过刮除和牙根刨除来去除细菌生物膜，以控制牙周炎症。抗菌水凝胶可以通过将抗菌药物加载到水凝胶递送体系中以实现牙周炎治疗的可控和持续释放。

用于制备抗感染水凝胶的材料可分为：

1. 天然聚阳离子聚合物，如壳聚糖、明胶和海藻酸盐，通过破坏细菌膜的完整性而具有固有的抗菌活性。

2. 抗生素、防腐剂、多肽等靶向细菌膜，可以减少抗菌素耐药性，甚至对抗耐药细菌。

3. 利用金属基纳米材料等，实现光热、光动力等作用，造成细菌代谢等损伤。

响应型水凝胶：

为实现智能药物释放，增加与牙周微环境之间的匹配程度，进一步提高给药效果，研究者根据牙周炎微环境的特异性变化及牙周炎治疗相关需求，设计了相应的刺激响应型水凝胶载药系统。

用于刺激响应型水凝胶可分为：

1. pH响应型。炎症和局部缺氧会在牙周组织中产生微酸性环境，合理设计pH响应型水凝胶可智能区分炎症和健康牙周组织，并控制药物释放。

2. 活性氧响应型。活性氧与抗氧化防御系统之间的稳态失衡可导致氧化应激反应诱导组织损伤，是加深牙周炎的因素之一。

3. 酶响应型。即根据酶浓度变化释放药物，以适应牙周炎的自然进程。

4. 光响应型。不仅具备光热抗菌能力，且光产生的热使水凝胶载药系统体积缩小、药物扩散加快，促进药物释放。

5.温度响应型。它们在溶液状态下能尽可能适应牙周袋不规则和深部伤口缺陷区域，当环境温度转化为生理温度时凝胶固化，有利于支架的填充，延长药物释放。

具有抗炎、免疫调节作用的水凝胶：

宿主免疫炎症反应决定牙周组织破坏的程度。抗炎免疫调节水凝胶可以避免过度的炎症导致的高氧化应激，抑制细胞凋亡，促进干细胞分化。

用于抗炎免疫调节水凝胶的材料可分为：

1. 在水凝胶分子链上接枝可消耗活性氧的基团，如邻苯二酚等。

2. 将常用的抗炎药物(即非甾体抗炎药、地塞米松、他汀类药物和DMBG)装载到水凝胶递送系统中以控制炎症。

3. 免疫调节剂如细胞因子和外泌体等负载与水凝胶中用于逆转免疫细胞的促炎表型。

用于干细胞递送的水凝胶：

水凝胶是柔软而有弹性的3D网络，具有与细胞外基质（ECM）相似的多孔结构，因此具有封装生物活性分子的能力。因此水凝胶可以完美模拟细胞生长环境，吸附或直接加载细胞进行培养，例如人牙周膜细胞（HPDLCs），人牙龈成纤维细胞，和牙龈间充质干细胞 （GMSC），以实现组织再生。

用于构建干细胞递送的水凝胶材料分为：

1. 壳聚糖、海藻酸盐、明胶等天然高分子材料，此类材料生物相容性好，部分材料具有一定抗菌性能，显示出适合细胞扩散、迁移和增殖的多孔结构。

2. PVA、PEG、PEI等合成材料。此类材料具有易于化学改性、生物相容性和可调机械性能等优点。

水凝胶微针：

微针（MNs）是一种新兴的药物递送技术，以无痛、微创和非感染的方式穿透皮肤，具有较高的载药潜力，经过适当修饰后可赋予响应释放能力。

水凝胶微针的应用范围有：

1. 口腔间质液收集，用于无痛收集口腔液体以进行诊断。

2. 在早期口腔癌诊断中，可以收集和分析口腔组织和液体中的癌细胞或相关活动。

3. 口腔癌治疗，可以将精确剂量的化疗药物直接输送到受影响的部位。

4. 口服疫苗接种，将疫苗直接递送到口腔粘膜组织，以更有效地进行粘膜免疫。

5. 药物传递，可直接通过口腔组织传递广泛的药物，以改善全身或局部治疗效果。如在龋齿、牙周治疗，口腔溃疡等治疗中递送药物。

6. 口腔麻醉，在简单的牙科手术中提供局部疼痛缓解，或在局部麻醉注射前麻醉粘膜。

7. 生物传感器。结合了MNs的透皮给药能力，将使慢性病患者能够进行频繁的检测并接受药物治疗，可被用作研究口腔液和远程监测口腔健康的诊断工具。

水凝胶微球和微凝胶组装体：

水凝胶微球是水凝胶的衍生应用，即将大尺寸的水凝胶通过微流控或乳化法的形式制备成微米尺寸的水凝胶。形成的微球可以再通过化学键作用与其他高分子链交联形成微凝胶组装体。

水凝胶微球和微凝胶组装体的应用范围有：

1. 3D细胞和细胞行为调控载体。

2. 组织工程支架，应用领域有皮肤修复与再生、软骨修复与再生、心肌修复与再生、神经修复与再生、脑修复与再生、牙周炎等。

静电纺丝：

静电纺丝技术是一种可以制备直径为纳米或微米级纤维的技术，高压静电场中，聚合物溶液或熔体的喷射流在静电力作用下带电变形被拉伸，随着溶剂的蒸发，最终在接收器上形成纳米级的聚合物纤维。

静电纺丝可实现的功能有：

1. 可以调节细胞和细胞外基质之间的反应，从而引导细胞行为，调节组织再生。

2. 通过组分设计、技术选择、策略构建，可以定向设计具有特殊结构的静电纺丝生物材料，精细调控细胞行为，促进牙周组织再生。

3. 静电纺丝材料具有表面积大、孔隙率高等优点，可搭载生长因子、药物、外泌体、干细胞等生物活性物质，满足牙周组织再生需求 。

4. 静电纺丝材料的小孔径可以阻挡上皮细胞向缺损区生长，为牙周组织再生提供稳定空间。

水凝胶（Hydrogel）是一类极为亲水的三维网络结构凝胶，它在水中迅速溶胀并在此溶胀状态可以保持大量体积的水而不溶解。

由于存在交联网络，水凝胶可以溶胀和保有大量的水，水的吸收量与交联度密切相关。水凝胶本身可以起到简单的物理隔离和创造湿润环境的作用，根据湿性愈合理论提出的创面环境要求，水凝胶材料逐渐作为理想的皮肤组织修复材料，可有效解决创面损伤面临感染、血管化、炎症失调、阻碍愈合进程等问题，更好的治疗银屑病、白癜风、黄褐斑、体表肿瘤（黑色素瘤、血管瘤）等皮肤疾病。

我们根据材料选择、功能化改造、药物缓释来定制设计水凝胶方案，包括了止血水凝胶；抗感染水凝胶；抗氧化、抗炎、巨噬细胞调控水凝胶；干细胞递送水凝胶和仿生3D打印皮肤；自修复水凝胶；可粘附水凝胶；响应性水凝胶；水凝胶微针；水凝胶微球和微凝胶组装体；静电纺丝。

背景介绍

皮肤是覆盖在人体表面、直接与外界环境接触的非常重要的器官，具有感受外界刺激和调节体温、保护人体免受外界伤害的作用。皮肤创面愈合分为四个连续的过程，即止血、炎症、增殖、重塑。

湿性愈合理论指出：

1. 低氧或无氧的愈合环境可以刺激巨噬细胞释放生长因子，促进毛细血管生长，成纤维细胞在低氧环境下生长速度最快。

2. 微酸的愈合环境可以刺激成纤维细胞合成胶原，而III型胶原是肉芽组织的主要成分之一。皮肤为弱酸性，封闭的伤口环境PH值为6.4±0.5，而开放伤口PH＞7.1。

3. 适度湿润的愈合环境促进多种生长因子的释放；细胞可以快速移行；渗液中的组织蛋白溶解酶有利于坏死组织的溶解；无结痂形成，保护创面的神经末梢。

4. 降低感染的机会，湿性敷料感染率为2.6％。

5. 保持创面恒温，可使细胞有丝分裂速度增加108%。

功能性创面愈合水凝胶

在创面愈合的阶段面临的问题有：止血、感染、过度炎症反应、瘢痕增生等。水凝胶除了起到简单的物理隔离和创造湿润环境的作用外，还可以通过特定的设计，使其具有粘性、自愈合性等，变得更适合创面部位使用；还可缓释药物，或利用一些材料本身的性质，赋予水凝胶其他功能，如止血、抗感染、免疫调节、抑制瘢痕化、促进毛囊和其他皮肤附属器官再生等。

应用实例

止血水凝胶：

可以实现创伤部位的快速凝血，不局限于浅表皮肤损伤，也可用于牙周、软组织等的止血。

用于制备止血水凝胶的材料可分为：

1. 利用静电作用，在水凝胶上接枝带正电的成分，可以通过静电吸引改善水凝胶与血小板、血细胞、血浆纤连蛋白的相互作用，诱导血小板活化和血细胞聚集，从而达到促进凝血的效果。

2. 利用粘合特性直接封闭伤口。

抗感染水凝胶：

可以避免损伤部位因细菌感染，减慢伤口愈合速度，和其他因细菌感染造成的并发症。

用于制备抗感染水凝胶的材料可分为：

1. 利用天然生物材料自身的抗菌性，如壳聚糖等。

2. 利用天然生物提取物或小分子药物，如抗菌肽、罗伊氏菌素、多糖类、抗生素类、天然植物提取物等。

3. 利用金属离子，如铜离子、锌离子、银离子等。

4. 利用纳米材料或金属离子等，实现光热、光动力等作用，造成细菌代谢等损伤。

抗氧化、抗炎、巨噬细胞调控水凝胶：

抗氧化、抗炎免疫调节水凝胶可以避免过度的炎症导致的高氧化应激，活性氧（ROS，包括超氧阴离子、过氧化氢、羟自由基和NO），造成如脂质过氧化或DNA 和蛋白质的氧化，阻碍创面再生。

用于抗氧化、抗炎免疫调节水凝胶的材料可分为：

1.在水凝胶分子链上接枝可消耗活性氧的基团，如邻苯二酚等。

2.以水凝胶为药物载体，缓释抗氧化剂，如多酚类（茶多酚、白藜芦醇、花青素等）、部分黄酮化合物等。

干细胞递送水凝胶和仿生3D打印皮肤：

水凝胶的含水结构可以模拟细胞外基质，促进细胞粘附、迁移和生长。水凝胶可以用于构建递送干细胞、体外分化的特定细胞至损伤部位，促进组织修复。此外，还可以根据组织的组成结构，利用3D打印技术制备仿生组织，实现组织再生。

用于构建干细胞递送的水凝胶材料分为：

1. 天然高分子材料，如明胶、丝素蛋白、海藻酸钠、透明质酸、葡聚糖、壳聚糖等，此类材料生物相容性好，部分材料更具备特殊位点可以促进细胞的生长，是一类非常适合用于递送细胞的材料，更可以通过化学改性制备3D打印墨水，用于制备含细胞的仿生组织。

2. 人工发酵重组蛋白，如重组胶原蛋白、重组纤连蛋白等。此类材料产量低、价格昂贵，但具有非常良好的生物相容性，且具备促进组织再生的生物学功能，可用于皮肤修复类医疗器械的开发。

自修复水凝胶：

一般水凝胶在受到外部张力或组织活动时容易破裂或断裂。水凝胶的破损除了导致自身性能劣化甚至损失外，还会进一步导致外界细菌的侵入，导致伤口感染。因此，在伤口愈合过程中确保水凝胶敷料的结构完整性也很重要。因此，自修复水凝胶的概念被提出，作为一种可以修复自身功能和结构损伤的“智能”材料。

根据愈合机制可分为物理自修复和化学自修复水凝胶：

1. 物理自修复水凝胶：通过在分子、低聚物或聚合物链之间形成动态非共价相互作用（包括疏水相互作用、主客体相互作用、氢键、结晶、聚合物-纳米复合材料相互作用和多种分子间相互作用）来重建网络，如利用单宁酸、金刚烷-环糊精主客体组装、葫芦脲等。

2. 化学自愈合水凝胶：通过动态共价键形成重建网络，包括苯基硼酸酯、二硫化物、席夫碱（亚胺） 、酰腙、可逆自由基反应和可逆狄尔斯-阿尔德环加成反应。

可粘附水凝胶：

可以代替手术缝合关闭创口，同时构建封闭环境，避免了伤口和外部环境因与伤口之间的接触而导致感染的潜在风险。

用于制备可粘附水凝胶的材料可分为：

1. 利用仿生结构，如仿贻贝丝足蛋白的邻苯二酚结构。

2. 利用组织间化学键，如利用活性酯、醛基、巯基等与组织间氨基反应。

3. 利用氢键作用。

响应性水凝胶：

刺激响应型水凝胶能够响应外部环境（如温度、pH、光）的变化，在外部环境刺激下可以产生不同范围的尺寸或形状变化，或者加速水凝胶内药物的释放。

用于制备刺激响应型水凝胶的材料可分为：

1. 利用温度刺激实现相转变，如PNIPAM水凝胶。

2. 利用酸性条件下席夫碱结构的解离、由带相反电荷的两亲性肽在中性pH下通过分子间力、氢键和π-π堆积形成的超分子水凝胶在酸性条件下分解等。

3. 利用特定外部刺激如激光照射，加速药物释放。

水凝胶微针：

自身能够减少成纤维细胞产生的收缩和机械应力，通过降低整合素-FAK 信号通路的表达，从而下调 TGF-β1、α-SMA、I 型胶原蛋白和纤连蛋白的表达，有助于显着减少疤痕的形成。此外，水凝胶微针还可用于透皮或深度递送药物，提高药物的利用率，可以用于多种浅表层皮肤疾病或肿瘤的治疗，具有良好的转化前景。

水凝胶微针的应用范围有：

1. 创面愈合、瘢痕治疗、皮肤附属器官再生等。

2. 皮肤疾病如银屑病、白癜风、黄褐斑等的治疗。

3. 小面积浅表层皮肤肿瘤如黑色素瘤、血管瘤等的治疗。

4. 体内监测及药物响应释放：如通过监测血糖实现胰岛素控制释放。

水凝胶微球和微凝胶组装体：

水凝胶微球是水凝胶的衍生应用，即将大尺寸的水凝胶通过微流控或乳化法的形式制备成微米尺寸的水凝胶。形成的微球可以再通过化学键作用与其他高分子链交联形成微凝胶组装体。

水凝胶微球和微凝胶组装体的应用范围有：

1.3D细胞和细胞行为调控载体。

2.组织工程支架，应用领域有皮肤修复与再生、软骨修复与再生、心肌修复与再生、神经修复与再生、脑修复与再生、牙周炎等。

静电纺丝：

静电纺丝可利用天然和合成聚合物在内的各种类型的聚合物纺成纳米纤维，用于皮肤愈合。天然聚合物和合成聚合物都可用于纺丝，各有优缺点。通过结合天然和合成聚合物的优点，可开发兼具优异生物活性和定制机械性能的复合纳米纤维膜。

静电纺丝可实现的功能有：

1. 药物递送：缓、控释药物，响应释放药物等。

2. 干细胞行为调控：纤维取向影响细胞行为。

3. 体表敷料：可通过不同材料纺织亲-疏水层，降低创面细菌感染概率，透气、保湿。

背景介绍

透皮药物递送是除口服和静脉内给药外的有效药物递送方式。传统注射给药所产生的疼痛导致依从性差。口服给药方便，但给药效率受到首过效应的限制。

微针是一种克服这些限制的给药新方法，它在皮肤表面形成微米级的毛孔，使药物以侵入性最小的方式通过皮肤的角质层进入真皮层。这种给药方式不仅提高了透皮给药的渗透效率，而且提高了药物递送的生物利用度。

微针可用于透皮和非透皮给药。在透皮给药中，微针可以减轻或消除注射的疼痛。微针的长度范围为25至2000μm，可以在不损伤神经组织的情况下穿透皮肤屏障。此外，微针是一种连续给药，因此可以减少给药频率，特别是糖尿病患者的胰岛素注射。非透皮给药用于颊粘膜和手术暴露的组织，如眼球、血管组织和胃肠道。

微针主要类型及应用

根据微针装置的不同，微针可分为固体微针、药物包被微针、可溶微针、空心微针和水凝胶微针五类。

微针主要应用：

1. 伤口修复

微针自身能够减少成纤维细胞产生的收缩和机械应力，通过降低整合素-FAK 信号通路的表达，从而下调 TGF-β1、α-SMA、I 型胶原蛋白和纤连蛋白的表达，有助于显着减少疤痕的形成。

2. 糖尿病治疗

频繁注射胰岛素可导致长期并发症和依从性差，胰岛素过量可导致严重休克甚至死亡。微针作为一种无痛、无创、可重复使用的自我给药方式，可将药物剂量要根据实际需要进行调整。 

3.癌症治疗

具有纳米颗粒的微针在治疗浅表肿瘤方面非常有前途。

4.疫苗

一些疫苗经过多次冻干、稀释和注射等增加了成本和浪费，使用微针可以降低成本，还可确保持续给药产生的更强的免疫应答。

5. 生物传感器

MNs体积小，对皮肤的侵入性较小，可以经常更换所生物污染效应较小，为更大的电流提供更大的电极表面积。

应用实例

固体微针

固体微针是由金属、硅等材料制成，通常不携带药物，最常见用途是用作物理促渗剂，以增加药物透过皮肤的量。

固体微针常用材料： 

1. 一些金属，如不锈钢、钛、镍、钯等具有良好的综合力学性能，包括高韧性、强度和硬度，可以保证微针的良好力学性能。与硅微针相比，金属微针可以通过电镀、光化学蚀刻、微铣、激光切割等方式生产，成本相对较低，不锈钢、钛等材料广泛应用于医疗器械中，安全性更好。

2. 硅微针常用的制备方法主要采用反应离子刻蚀技术、干法刻蚀、湿法刻蚀和微光刻制备硅微针。由于硅是一种脆性材料，硅微针在运输和应用中很容易断裂。 

空心微针

空心微针是预先在微针针体留下细小孔洞，当针体刺入皮肤后，在压力、浓度差、电位等因素影响下释放药物进入真皮层的一种给药形式。

用于空心微针的材料包括：

1. 金属。主要是不锈钢、钛、镍、钯和钴合金等。

2. 高分子材料。主要包括聚氯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚苯乙烯、PMMA、聚对苯二甲酸、聚丙烯、SAN等。主要的制备工艺有微成型和热压成型。

3. 硅。

涂层微针

涂层微针是指将药物涂抹覆盖于固体微针的针体外，当固体微针刺入角质层时，涂层进入真皮层溶解，释放药物的微针。涂层微针具有良好的机械性能，操作简便，但其载药量过低，且涂层可能提早脱落。药物包衣微针可用于递送活性分子，如小分子、蛋白质和疫苗。

用于涂层微针的材料有：不锈钢、钛、硅、陶瓷、PC、PLA、PGA、 PLGA、PCL等。 

可溶性微针

可溶性微针大多由可溶或可降解聚合物和碳水化合物制成，具有生物相容性好、毒性低、可塑性好、成本低等特点。在给药过程中，微针插入皮肤，针体与皮肤间质液溶解，药物局部释放。该类型微针还可以根据治疗需要选择不同的制备材料和针体形状，定制快速释放、控释、缓释、刺激反应释放药物等新型可溶性/可降解微针。

常用的微针制备材料有：由可生物降解的聚合物制成，如普鲁兰多糖、糊精、硫酸软骨素、海藻糖、明胶、透明质酸、聚乙烯醇、羧甲基纤维素等。操作简便，高安全性，无生物污染。

水凝胶微针

水凝胶微针是由可溶胀聚合物构成的，当其刺入皮肤后，针体吸收皮肤间质液体溶胀为凝胶状态，从而释放药物或提取皮肤中的液体进行生物学检测。

水凝胶微针常用的材料：

1. 天然高分子材料，如明胶、丝素蛋白、海藻酸钠、透明质酸、葡聚糖、壳聚糖等。

2. 改性化合物如HA-MA、DexMA、PMVE/MA、PAMA/PVA、（PVA+PVA）/CA、Gantrez S-97/PEG等。 

刺激响应性微针

刺激响应微针可以快速响应周围环境，如pH、温度、光、电场、酶等，实现药物释放。当刺激反应微针接收到外部刺激信号时，药物主要以分离、降解、裂解和肿胀的形式释放。

用于制备刺激响应型微针可分为：

1. pH响应性微针。感知人体生理pH的变化，实现时空控制的药物释放。

2. 光响应型。光触发MNs中使用的光响应材料主要包括低熔点材料，光响应聚合物以及附着/包覆/嵌入光敏剂的纳米材料等。

3. 温度响应型。可分为外部温度响应型和内部温度响应型。外部温度响应型主要由低熔点材料制成，当接受外部热量时，低熔点材料熔化引起药物释放。内部温度响应型主要由热敏聚合物制成，根据人体温度的变化而变化。

4. 磁响应型。磁场响应MNs可以通过外部磁场或射频场刺激或诱导来定位患者位置并按需输送药物，一般由磁性纳米颗粒或磁性高分子材料制成。

5. 电响应型。通常由可生物降解的聚合物和导电聚合物制成，例如PPy，聚（3,4-乙烯二氧噻吩），聚呋喃和聚苯胺。

离子电渗疗法微针

离子透入微针是一种利用物理渗透增强方法来增强生物膜药物渗透性的给药系统。离子电渗疗法微针的出现为经皮递送亲水性和大分子药物提供了新的研究思路。

离子电渗疗法微针优点：

1. 可增加许多分子的皮肤渗透和递送范围，可用于增强离子和非离子药物的透皮递送。

2. 离子电渗疗法和微针的组合产生的通量比两者的单次应用更高。

3. 药物释放的速率和量也可以通过调节外部电流密度来调节。

仿生微针

仿生微针是通过模拟自然界中的各种样品制成的，通过仿真得到更优良的几何形状，从而具有优异的性能。

仿生微针的好处： 

1. 仿生微针优异的几何形状和机械性能可以大大减少针表面与皮肤组织的接触面积，有助于切割皮肤组织并降低插入力。

2. 对物理、电生理或生化刺激具有高响应性的响应系统已与仿生微针相结合，以实现时空可控的药物递送。

3D打印微针

3D打印是一种增材制造技术，根据材料逐层沉积的方式快速生产3D原型。3D打印所具有的多功能性和可定制性可以制造出高精度的复杂结构，为具有特殊要求和材料的患者制造宏观和微观尺度的微针。

3D打印微针的应用范围有：

1. 药物和疫苗递送。3d打印微针可增强皮肤中药物递送的潜力，并改善了非侵入性、自我接种疫苗的体液免疫反应。

2. 化妆品应用。微针可以在不到达神经的情况下通过创建微通道将活性化妆品分子输送到皮肤中。

3. 诊断和样品提取。可用于抽取含有生物标志物的间质液，分析患者的健康状况并潜在地检测疾病和肿瘤。

4. 生物传感应用。可用于POC(护理点)生物传感应用，微针阵列收集的样品很容易检测到目标分子和生物标志物。 

静电纺丝技术介绍

静电纺丝技术可从各种有机和无机材料中生产纳米纤维，是一种被广泛研究和应用的方法。 静电纺丝装置由注射器、高压供应电流、收集器和喷丝装置组成。 在静电纺丝过程中，聚合物溶液置于高压静电场下使其带电，并与收集板之间形成电压差，通过不断改变电压，克服溶液表面张力，使液滴逐渐由球形变为锥形，形成“泰勒锥”，溶剂蒸发后纤维固化，最终沉积在收集板上，形成直径为纳米级纤维。

在静电纺丝过程中，聚合物溶液置于高压静电场下使其带电，并与收集板之间形成电压差，通过不断改变电压，克服溶液表面张力，使液滴逐渐由球形变为锥形，形成“泰勒锥”，溶剂蒸发后纤维固化，最终沉积在收集板上，形成直径为纳米级纤维。1934年，Formalas发明了用静电力制备聚合物纤维的实验装置并申请了专利，其专利公布了聚合物溶液如何在电极间形成射流，这是首次详细描述利用高压静电来制备纤维装置的专利。

影响参数

在纺丝的过程中，一系列的工艺参数都会影响到所形成纤维的性质,根据参数的不同,在同样的静电纺丝装置上分别能得到液滴、串珠结构纤维、均匀纤维等多种形式的产物。

具体的参数可以分为如下几类：

1. 聚合物参数:包括聚合物的种类、相对分子质量、溶解性等。

2. 溶液参数:包括溶液的浓度、粘度、表面张力等。

3. 过程参数:包括接收距离、电压、流速等。

4.环境参数:包括温度、湿度和环境气氛。

目前我们已经可以大致总结出上述基本工艺参数对纤维直径和形貌的影响，如下表。

静电纺丝材料性能

静电纺丝是与传统纺丝相比，具有比表面积大、孔隙率高等许多优越性能和广泛应用前景的一种新型材料制备技术。

静电纺丝材料

到目前为止，已经有数百种高分子材料可通过静电纺丝形成纤维产品，高分子材料可分为天然高分子和合成高分子。天然高分子往往生物相容性更好，免疫原性更低，材料包括：胶原、明胶、丝素蛋白等数种蛋白质纤维；海藻酸盐、壳聚糖、透明质酸(HA)等聚多糖纤维。

合成高分子机械性能、降解速度等性质高度可控，稳定性和重复性较高，且纺丝性能往往更优，成本更具优势。目前较为成熟的医学用途的合成高分子材料主要是生物可降解高分子，其中聚羟基乙酸(PGA)及聚己内酯（PCL）等材料都巳成功制备微纳米纤维组织工程支架用于骨、软骨、皮肤、神经等组织再生修复研究。

静电纺丝材料

海藻酸钠（SA)

海藻酸钠(sodiumalginate,SA)是一种从天然藻类中提取出来的聚糖醛酸，本质是线形、无毒的天然高分子聚电解质，其亲水性及生物相容性良好，且来源广泛，价格低廉，在载药体系、组织工程等多个领域都有广泛的应用前景。通过静电纺丝技术制得的海藻酸钠纳米纤维膜具有海藻酸钠含量高、平均直径细、孔隙率高的特点，能够应用于伤口敷料及组织工程领域(如支架材料)等。

透明质酸(HA)

透明质酸(hyaluronic acid, HA)是一种天然大分子聚阴离子多糖。由于HA具有独特的流变特性、良好的生物相容性、非免疫原性和在体内可由酶作用而天然降解性等性能，它在组织工程、创伤愈合和药物控制释放等方面有着广泛的应用。 利用静电纺丝法制备的HA纳米纤维可以模拟生物组织，主要是皮肤层，因此在构建伤口敷料方面具有很大的潜力。迄今为止，透明质酸与胶原、PEO、玉米胶蛋白、明胶等的混合纳米纤维已经成功制备。

聚己内酯（PCL）

聚己内酯（PCL）又称聚ε-己内酯，是一种有机高分子聚合物，化学式为(C6H10O2)n。其外观为不透明白色固体粉末，无毒，具有一定刚性和强度，表现为典型的树脂特性，不溶于水，易溶于极性有机溶剂。 PCL静电纺丝纳米纤维具有高孔隙率、高比表面积、易操作性、良好生物相容性和高药物渗透性，良好的生物降解性，可用作细胞生长支持材料，可与多种常规塑料互相兼容，自然环境下6-12个月即可完全降解。 被广泛应用于生物支架、组织再生、药物载体、可降解塑料、纳米纤维纺丝等生产与加工领域。

胶原蛋白

胶原蛋白是生物高分子，动物结缔组织中的主要成分，也是哺乳动物体内含量最多，分布最广的功能性蛋白，占蛋白质总量的25%~30%。胶原常见类型为Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅴ型和Ⅺ型。 胶原蛋白因具有良好的生物相容性、可生物降解性以及生物活性，并可提高细胞的渗透性和创面修复，因此在食品、医药、组织工程、化妆品等领域获得广泛的应用。 近年来， 胶原蛋白静电纺丝纳米纤维在组织工程、止血及伤口愈合、载药和防粘连等生物医学领域取得到了广泛的应用。

明胶

明胶的主要组成为氨基酸组成相同而分子量分布很宽的多肽分子混合物。明胶来源广泛、价格低廉，具有良好的生物降解性、生物相容性与组织相容性，降解后可形成无毒产物被排出体外，因此可被广泛应用到工业、食品、药品等领域。明胶机械性能差，且受潮后易霉变、吸水后易膨胀，因此一般不将其单独纺丝并使用，而是与其他物质共混，再与静电纺丝技术相结合，构筑具有独特性能的纤维并加以利用。明胶静电纺丝则主要运用于组织工程支架、柔性传感器等五方面。

应用领域

1.静电纺丝纳米纤维在过滤以及个体防护方面可以用于水处理、防护服、口罩等；

2.在传感器领域可以用作电阻传感器、光学传感器等；

3.在化工领域可以用于催化剂等；

4.在生物医学领域可以用于伤口敷料、组织工程支架、药物载体等。

组织工程

传统的器官衰竭或组织损伤往往需要依靠器官或者移植来达到治愈目的，在这个过程中有许多的局限性。而静电纺丝纳米纤维由于其良好的生物相容性、可控的机械性能和类似天然细胞外基质的特点，被认为是优秀的组织工程材料。目前电纺纳米纤维已经在皮肤、血管、心脏、神经、骨组织等组织工程领域得到了研究及应用。

伤口敷料

由于具有较大的表面积、较好的机械强度以及类似天然细胞外基质等特点，静电纺丝纳米纤维在伤口愈合方面显示出巨大的应用潜力。作为伤口愈合材料，电纺纳米纤维膜不仅具有很好的防水透气性，还要而已携带药物，在抑菌的同时促进细胞的生长。

药物输送

在许多情况下，药物不能直接进入人体而需要定向输送至患病区域以防伤害正常细胞，静电纺丝为药物的输送提供了一种简易方便的思路。将治疗药物均匀封装到纳米纤维中，再定向运输至目标区域释放，在这个过程中对纳米纤维的性能与要求极高，而静电纺丝的多功能性与可设计性被认为是解决这一问题的较好方法。纳米纤维膜可提供高表面积和高孔隙,便于负载药物提高载药率，调控药物的释放速率,避免药物对全身的毒副作用。

过滤

由于静电纺丝纳米纤维薄膜的比表面积大、孔隙度高，在过滤及防护方面具有较大的应用价值，可以作为过滤膜应用于各个领域，最为突出的是空气净化与水净化，常被制成空气颗粒物过滤器芯膜以及油水混合物分离膜。静电纺丝纤维的直径可以调节，特定的直径会使颗粒、气溶胶、病菌等沉积在纤维表面而不是通过纤维间隔。此外，静电纺丝纤维制成的高效滤纸具有良好的抗水性和高致密性。