水凝胶再生修复退变椎间盘的研究进展

Abstract

目的

总结生物材料水凝胶治疗椎间盘退变的研究进展，探讨水凝胶再生修复退变椎间盘的临床应用潜能。

方法

广泛查阅国内外有关水凝胶修复退变椎间盘尤其是髓核组织的研究文献，并进行总结和分析。

结果

水凝胶与髓核组织具有相似特性，在退变椎间盘再生修复中扮演重要角色，主要可体现在人工髓核假体、以水凝胶为载体的细胞治疗、非细胞治疗和组织工程修复。

结论

水凝胶作为生物材料广泛应用于椎间盘的再生修复治疗，为治疗椎间盘退变提供了新方向。

现代社会中，下腰痛发病率逐年上升，其造成的健康生命年数下降程度显著大于其他疾病^[1]，是致残的主要原因，也给全球带来了极大经济负担^[2]。下腰痛病因复杂，组织学和影像学资料提示其与腰椎间盘退变有关^[3]。腰椎间盘退变的常见治疗方法主要分为保守治疗和手术治疗。保守治疗包括卧床休息、非甾体类抗炎药物、镇痛、物理治疗，可在一定程度上缓解疼痛症状，但无法阻止椎间盘退变的进展，且作用效果及持续时间有限，部分甚至根本无法缓解症状^[4-5]。保守治疗无效时，手术治疗成为首选。手术治疗主要包括椎间盘切除、减压、脊柱融合、椎间盘置换手术^[6]。对于症状及体征典型、影像学改变明显的患者，术后通常可获得较满意结果，但手术存在高侵入性、复发、活动度下降和邻近节段退变的风险^[7]。由于保守与手术治疗的局限性以及对椎间盘退变病理生理的了解逐渐深入，基于生物材料的生物学治疗方法给椎间盘退变带来了新希望^[8]。在种类繁多的生物材料中，水凝胶是一类具有三维网络结构的聚合物，因其具有吸水溶胀、压缩、良好的生物相容性等特征，成为目前研究椎间盘置换、修复和再生治疗的热点^[9]。本文将对水凝胶在退变椎间盘髓核组织再生修复的研究现状进行综述。

1. 椎间盘结构及椎间盘退变病理生理

椎间盘位于相邻椎体之间，由中央髓核、外层纤维环及软骨终板构成^[10]。髓核位于相邻软骨终板之间，构成了椎间盘的凝胶状核心。髓核组织主要由Ⅱ型胶原及蛋白聚糖构成，其内部结构的亲水性可保证正常椎间盘内的含水量及渗透压力，维持椎间盘的形态和静水压力^[11]。纤维环由大量高度定向胶原纤维构成，这些胶原纤维交替形成板层状结构。纤维环组织富含Ⅰ型胶原，可分为内、外两层纤维环组织^[12]，可抵抗由中央髓核以及脊柱屈伸及侧向弯曲时产生的高强度压力。软骨终板由透明软骨构成，是维持椎间盘完整性以及分隔椎间盘血管化组织与非血管化组织的关键。椎间盘绝大部分营养是由椎体通过软骨终板从而进入椎间盘内。椎间盘的主要功能有^[13]：承受身体质量及抵抗压力，维持椎体活动度，连接相邻椎体。纤维环组织和髓核组织几乎无血供，细胞数量及代谢均较低，主要通过外层纤维环和软骨终板毛细血管的扩散供应氧气和其他营养^[14-15]，因此椎间盘退变后难以通过自身达到再生及修复。

椎间盘退变的病理生理机制仍处于争论中，取决于多种因素，包括年龄、机械负荷、营养供应、吸烟、代谢、激素、基因等^[16-23]。椎间盘内稳态失衡作为退变的关键点，伴随着髓核细胞的减少及细胞外基质组分改变。终板钙化阻碍了髓核细胞营养供应途径，增加了组织内代谢物积累及促炎因子如 IL-6、TNF-α 的产生，也增加了基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）和聚蛋白多糖酶的表达及机械负荷，最终导致髓核细胞表型改变、衰老和凋亡，细胞外基质分解代谢增强，合成减少。同时，由于 IL-6、IL-8、前列腺素 E2 等炎症因子表达增加，可刺激神经和血管形成，从而与椎间盘源性疼痛有关^[24-26]。椎间盘退变涉及的细胞分子信号通路广泛，包括：AKT3、PI3K、NF-κB、MAPK、ERK、Wnt、Notch 等^[27-34]。临床影像学上，椎间盘退变表现为椎间盘组织 MRI 信号减弱，椎间隙狭窄，软骨终板不规则及硬化，椎间盘环形突出及椎体骨赘形成，导致运动功能障碍及疼痛^[35]。

2. 生物材料对椎间盘退变的再生及修复

由于认识到髓核组织退变对于椎间盘退变的重要性，目前针对椎间盘退变再生及修复的生物学治疗研究也大多从髓核再生和修复着手开展。生物材料在椎间盘修复及再生中扮演重要角色，用于椎间盘髓核组织再生和修复的生物材料应具有以下特性：① 良好的力学性能及可塑性，可以恢复椎间隙高度，承受机械负载并维持脊柱活动度；② 良好的生物相容性，对自身组织或外源细胞无明显毒害作用；③ 生物可降解性，可以随组织代谢，并与组织再生速率相匹配。另外，生物材料及其可降解产物不应恶化退变椎间盘中的微环境——低氧、低营养、酸性 pH、高机械负荷、高渗透压、复杂的蛋白酶及细胞因子网络^[35-38]。

生物材料修复髓核的主要目的是：① 支持剩余细胞或外源性细胞的存活；② 促进椎间盘细胞外基质的形成和沉积；③ 减少病理性纤维化；④ 减少炎症；⑤ 提高脊柱稳定性^[36]。水凝胶作为一种生物材料，其固有的亲水性使其具有吸水膨胀及水化的特点，易于修饰，可体现出与不同生物组织相类似的机械和润滑性质，其可注射及可交联性质使其易于设计和操作，可具有微创修复软骨损伤的能力；此外还可均匀包裹细胞、传递生物分子及药物等优点^[39]，因此被广泛应用于椎间盘髓核组织的再生修复。

3. 水凝胶的分类

水凝胶的制备包括两种交联方式，分别是物理交联（通过疏水作用、氢键、静电力等）及化学交联（通过共价键）。根据水凝胶的来源，用于椎间盘髓核再生及修复的水凝胶可分为天然、合成及复合水凝胶三大类。天然材料包括丝素蛋白^[40]、纤维蛋白^[41]、藻酸盐^[42]、胶原^[43]、透明质酸^[44]、壳聚糖^[45]等，天然材料如Ⅱ型胶原及透明质酸，本身即是构成椎间盘细胞外基质的组分，故在生物相容性及低细胞毒性方面具有较大优势，从而在髓核再生修复中被广泛利用^[46-47]。合成材料包括聚乳酸、聚乙醇酸、聚氨酯、聚三亚甲基碳酸酯、聚己内酯、聚乙二醇、聚乳酸-乙醇酸共聚物等^[48-50]，相比于天然材料，合成材料的优点在于可控性强、易于设计，且具有良好的机械力学性能，在纤维环的再生修复中应用也较多^[51-52]，然而其缺点在于生物相容性较差。复合水凝胶即基于天然材料与合成材料的联合，如纤维蛋白-聚氨酯水凝胶^[53]、透明质酸-聚乙二醇水凝胶^[54]等。复合水凝胶可保留天然和合成材料的优点，即良好的力学性能和生物相容性，是未来研究椎间盘再生修复及置换的重要方向。

4. 水凝胶在椎间盘髓核组织再生修复中的应用

水凝胶可以多种形式直接或间接参与椎间盘髓核组织的再生修复及置换，主要有人工髓核假体、细胞为基础的生物治疗、非细胞治疗（生物因子、药物及基因治疗）。

4.1. 人工髓核假体

人工髓核假体治疗退变椎间盘具有相对较长的一段历史，其目的主要在于恢复椎间盘力学特性（如椎间隙高度及脊柱局部活动性），而对于生物学特性（如椎间盘细胞的生长、分化、信号转导等）少有要求。在假体材料方面，早期人们尝试使用硅橡胶、不锈钢球体，最终由于其生物力学特性较低或金属材料硬度过大等问题被淘汰。水凝胶由于与髓核组织具有相似的生理功能，可根据所载负荷吸收和释放水分而被广泛应用。根据不同特性，水凝胶人工髓核假体可分为预制型和可注射型两类。早在 20 世纪 90 年代中期 Raymedica 公司开发了 PDN 人工髓核假体，由聚丙烯腈-聚丙烯酰胺共聚物组成的水凝胶内核及聚乙烯纤维外层构成，具有良好的力学特性，可在一定程度上恢复脊柱运动功能和缓解疼痛症状，作为经典的预制型人工髓核假体被应用于临床^[55]。但通过长期临床随访发现，该假体术后可发生一些并发症，如假体移位、终板破裂、下腰部疼痛等，限制了其临床有效性^[56]。其他预制型人工髓核假体还有 Aqarelle 假体^[57]（由半脱水的聚乙烯醇凝胶构成），体现出良好的生物相容性，但挤压突出事件发生率较高。可注射型人工髓核假体是指将水凝胶材料注入椎间隙，通过聚合反应而成型，与髓核间隙相匹配，如蛋白水凝胶材料 BioSic 假体^[58]。可注射型人工髓核假体的优点在于可微创操作性，可与髓核空腔良好适配；但同时也存在水凝胶泄露、聚合过程中发生热损伤等风险。因此，人工髓核假体只能从空间上替换髓核，而不能达到再生和修复作用，且一系列并发症的发生限制了其应用。但随着材料学的发展，人工髓核假体也将具有一定的发展前景。

4.2. 以水凝胶为载体的细胞治疗策略

基于对椎间盘退变病理生理的理解，以细胞为基础的椎间盘细胞治疗和组织工程再生修复方法近年来受到广泛关注。目前可供选择的细胞类型主要有髓核细胞^[59]、脊索细胞、软骨细胞、MSCs、诱导多功能干细胞、胚胎干细胞等，以 MSCs 应用于椎间盘再生修复最为广泛。细胞治疗的主要目的是：① 通过补充髓核样细胞或其他细胞最终分化成髓核样细胞，恢复已经改变的椎间盘细胞外基质；② 利用细胞补充营养或具有抗炎作用^[60]；③ 恢复椎间盘的生物力学功能。而以水凝胶为载体或支架负载细胞可以降低细胞外泄，并提供一定的机械强度，不同水凝胶材料还可对负载细胞提供良好的生长环境，为细胞治疗和椎间盘再生修复组织工程提供可能。

由天然材料组成的水凝胶在椎间盘髓核组织退变的再生修复中应用非常广泛。Wang 等^[61]使用藻酸盐水凝胶分别包裹分离的 BMSCs、软骨终板干细胞、纤维环干细胞及髓核干细胞，注入已建立的兔椎间盘退变模型，通过 MRI、X 线片及组织学观察等检测，发现载细胞水凝胶均不同程度地修复了退变髓核组织；有趣的是，软骨终板干细胞却体现出了最佳修复效果。有研究发现，透明质酸水凝胶具有抗炎、抑制免疫及促进血管生成的作用^[62]。但 Henriksson 等^[63]通过体内、外实验证明，透明质酸水凝胶尽管在体外实验中体现出最佳的促细胞增殖性质，但其可能不能作为一个良好的椎间盘再生修复细胞载体选择。Halloran 等^[64]测试了以去端肽胶原蛋白Ⅱ为基础，并加入不同浓度聚蛋白多糖和透明质酸的水凝胶支架对牛髓核细胞的影响，结果发现这种水凝胶支架可以维持细胞活性，并促进基质蛋白多糖的合成。合成材料水凝胶也广泛应用于椎间盘髓核组织的再生修复，有研究报道层粘连蛋白-髓核细胞间相互作用可促进细胞黏附和生物合成^[65]。Francisco 等^[66]将未成熟的猪髓核细胞种植于聚乙二醇-层粘连蛋白水凝胶，发现其可促进髓核细胞聚集及糖胺多糖的合成，并通过比对不同硬度的此类水凝胶，表明柔性化水凝胶可促进髓核细胞表型的维持以及特异性标记物如细胞角蛋白 8、整合素 α3 的表达。Wan 等^[67]构建了一种新的自组装肽水凝胶（self-assembling peptide hydrogel，SAPH），拥有良好的生物相容性及机械性能，在对髓核细胞的三维培养中发现，SAPH 水凝胶可促进髓核细胞Ⅱ型胶原和蛋白聚糖的合成，上调髓核特异基因（KRT8、KRT18、FOXF1）的表达。Tao 等^[68]设计了一种包含 BMP-7 短基序的功能自组装肽水凝胶（RADA16-Ⅰ-KPSS peptide），其包含 KPSS（来源于 BMP-7 中一段生物活性序列）和 RADA16-Ⅰ短肽，实验证明其在用于培养人退变髓核细胞中体现了良好的黏附性、低细胞毒性及促细胞增殖迁移能力，促进了髓核细胞Ⅱ型胶原蛋白、Sox-9、蛋白聚糖的生成。Kumar 等^[69]研究了一种包含氨丙基甲基丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸羟乙酯及聚丙烯酸的可注射型紫外光固化水凝胶培养人 BMSCs，在低氧及机械刺激条件下，可促进人 BMSCs 向髓核细胞表型分化，以及蛋白聚糖和Ⅱ型胶原的合成。还有其他各种水凝胶材料包裹髓核细胞，达到了促进细胞外基质生成、维持髓核细胞表型、恢复椎间隙高度的良好结果^{[65, 70-71]}。

由于普通水凝胶大部分面临着强度较低的问题，如何在保证水凝胶生物相容性的情况下提高其强度显得尤为重要。目前可引入拓扑结构、纳米结构、互穿网络结构来提高水凝胶强度。Gan 等^[72]评估了一种用于髓核再生的互穿网络水凝胶（interpenetrating network hydrogel，IPN），以葡聚糖和明胶为主要网络，聚乙二醇为次要网络，在两者比例为 4∶1 情况下，该水凝胶展现出极高的韧性，而包裹于其中的髓核细胞增殖、聚集及基质沉积明显增加。在动物实验中，该水凝胶可以维持大鼠椎间盘细胞长期存活，也促进了猪退变髓核组织的水化和再生。Nair 等^[73]验证了一种复合水凝胶，由壳聚糖-聚羟基丁酸酯与硫酸软骨素纳米颗粒组成，其吸水性及黏弹性均与原生组织相似，可在动态条件下承受与日常活动（如躺、坐、站）相对应的不同应力；还能促进大鼠脂肪来源干细胞的存活和黏附，在硫酸软骨素纳米颗粒的存在下，BMSCs 的存活能力和软骨分化能力也显著增强。因此，纳米结构水凝胶也为髓核组织工程提供了巨大潜力。Ligorio 等^[74]使用氧化石墨烯作为纳米填充物强化 β-折叠自组装肽形成自组装多肽水凝胶，具有与髓核相似的机械性能，在髓核细胞培养过程中发现其可促进细胞的存活和保持细胞的 3D 代谢活性，作为一种可注射型水凝胶支架具有在体内传递髓核细胞的巨大潜力。

4.3. 以水凝胶为载体的非细胞治疗

除细胞治疗外，水凝胶生物材料作为载体还广泛参与椎间盘髓核组织的非细胞再生修复治疗，如药物、生长因子和基因治疗等。

Bertolo 等^[75]使用藻酸盐水凝胶微球测试了 3 种药物（地塞米松、甲状腺素、胰岛素）及 TGF-β₁ 对椎间盘细胞的影响，结果显示地塞米松及 TGF-β₁ 可增加椎间盘细胞糖胺聚糖的合成，地塞米松还显示出了促细胞增殖的作用。Su 等^[76]研究发现一种可注射的氧化透明质酸/己二酸二酰肼水凝胶可修复退变髓核，促进髓核Ⅱ型胶原和蛋白多糖的合成，体现出良好的生物相容性。阿魏酸目前被证实具有良好的抗氧化性能。Cheng 等^[77]构建了一种可注射热敏壳聚糖/明胶/磷酸甘油水凝胶，作为阿魏酸的可持续释放体系。在用其处理 H₂O₂ 诱导的氧化应激髓核细胞后，蛋白聚糖和Ⅱ型胶原表达上调，MMP-3 表达下调。揭示了该水凝胶可作为椎间盘退变的早期治疗手段。Pan 等^[78]研究发现一种可持续释放吉非替尼的控释注射热敏水凝胶，在小鼠退变椎间盘内可以发挥促进髓核细胞细胞外基质产生，而减少 MMP-13 表达的作用。近年研究发现了一种拥有极强促软骨分化能力的新的小分子化合物 KGN（kartogenin），能有效促进 MSCs 向软骨细胞分化^[79]。Zhu 等^[80]设计了一种 KGN 偶联壳聚糖-透明质酸水凝胶，可在水凝胶中持续释放 KGN，具有良好的力学性能，以及较好的促进脂肪来源干细胞增殖和向髓核细胞分化的作用。提示这种水凝胶可能是一种简单、有效的修复微创手术后退行性髓核组织的候选材料。

生物活性因子可通过旁分泌或自分泌等方式促进椎间盘细胞外基质分泌和细胞代谢，可改善椎间盘微环境并维持细胞的正常生理过程^[81]。常用于椎间盘退变再生修复治疗的生物活性因子有生长分化因子（growth differentiation factor，GDF）、BMP、TGF-β、FGF、IGF、富血小板血浆（platelet rich plasma，PRP）、PGDF 等，且在不同研究中显示了其促进椎间盘细胞增殖和基质合成，恢复椎间隙高度的作用^[82]。Henry 等^[83]建立了一种新的双相可注射水凝胶系统，由支链淀粉微球（pullulan microbeads，PMBs）和硅烷化羟丙基甲基纤维素水凝胶（silanized hydroxypropyl methylcellulose，Si-HPMC）联合制成（PMBs/Si-HPMC），可作为持续释放 TGF-β₁ 和 GDF-5 的载体，两种因子在被释放后仍可保持其生物活性，该 PMBs/Si-HPMC 双相系统有望成为椎间盘再生医学生物活性传递系统的发展方向。Gan 等^[72]构建了以聚乳酸-羟基乙酸共聚物纳米粒作为 TGF-β₃ 控释载体的右旋糖酐/明胶水凝胶，表现出良好的细胞相容性，可诱导 MSCs 向髓核样细胞分化，同时促进细胞外基质的合成。Peeters 等^[84]发现包含了 BMP-2、7 异质二聚体的纤维素-透明质酸水凝胶，可上调髓核细胞蛋白聚糖和Ⅱ型胶原基因的表达及糖胺聚糖的合成。Ehlicke 等^[85]利用水凝胶载体探讨了各种生长因子诱导人 MSCs 向髓核细胞分化的潜力，结果表明 IGF-1、FGF-2 和 PDGF-BB 可负载于水凝胶中，并促进人 BMSCs 向髓核细胞分化，保持增殖能力及活性。PRP/透明质酸/巴曲酶水凝胶也可提高 MSCs 的存活和增殖能力，并促进向软骨细胞样细胞的分化^[86]。

随着基因测序技术的不断发展，通过对退变髓核组织的差异基因表达分析，不断发现了与椎间盘退变和再生修复相关的基因，由此为基因治疗拉开了序幕。Bucher 等^[87]在一项研究中以藻酸盐水凝胶作为载体，将 GDF-5 mRNA 转染入 MSCs，发现经转染的 MSCs 在藻酸盐水凝胶培养中上调了蛋白多糖、SOX-9、角蛋白 19 表达，表明了水凝胶在基因治疗中的辅助作用。微小 RNA-29（microRNA-29，miR-29）家族具有较强的纤维化抑制能力，但由于缺乏合适的局部递送系统，限制了它们在治疗椎间盘退变方面的应用。我们课题组^[88]前期采用聚乙二醇和聚 N-异丙基丙烯酰胺制备热反应性多相冠状聚离子胶束水凝胶，通过该体系递送亚铁血红素加氧酶基因，可以减轻白介素引起的炎症反应，促进蛋白多糖表达，促进椎间盘再生。该载体可以作为一种安全高效的非病毒载体，用于椎间盘退变的基因治疗。在前期工作基础上，我们对水凝胶递送基因条件进行了进一步改进，可自动感受环境中的 MMP 浓度，并根据 MMP 浓度智能按需释放 miR-29，从而抑制 MMP-2 的表达，抑制椎间盘纤维化过程，为椎间盘退变的治疗提供了新方法^[89]。Zhu 等^[90]利用编码 4 个转录因子的仙台病毒载体，使得原始髓核细胞重新编程成为人类诱导性多能干细胞，将其在培养板和水凝胶中培养进行比较，发现髓核来源的人类诱导性多能干细胞在水凝胶中比在培养板中能更好地分化成髓核样细胞。近年来，一些环状 RNA（circular RNA，circRNA） 被证实富含 miRNA 的结合位点，并作为竞争性内源性 RNA 与 miRNA 相互作用，从而影响靶 mRNA 的表达，最终调控病理生理过程^[91-93]。circRNA 在椎间盘退变髓核组织的差异性表达也逐渐受到人们关注。多个研究显示，circRNA 能作为 miRNA 的分子海绵，抑制其表达或功能，最终促进或减缓椎间盘组织的退变过程^[94-96]。水凝胶包裹转录相关 circRNA 也将为椎间盘退变及修复再生提供新方向。

4.4. 基于水凝胶的组织工程修复策略

由于椎间盘组织由髓核和纤维环两部分构成，集髓核、纤维环为一体的水凝胶组织工程修复更符合椎间盘生理结构，也正广泛处于研究和尝试中。

Du 等^[97]构建了一种以负载兔髓核细胞的海藻酸盐水凝胶为内核、负载兔纤维环细胞的环向聚己内酯（polycaprolactone，PCL）微纤维支架为外环的仿生复合支架，髓核细胞和纤维环细胞可在支架内均匀扩散和定植，与天然椎间盘组织类似，移植入小鼠体内后，该支架可展现细胞外基质的沉积，体现了良好的力学性能。Bowles 等^[98]建立了藻酸盐水凝胶-胶原纤维复合支架，并将其植入大鼠尾椎，展示出良好的生物相容性和类似天然椎间盘的动态力学性能，还可维持椎间隙高度，为退行性椎间盘疾病的生物疗法提供重要方向。Park 等^[99]设计了纤维蛋白/透明质酸水凝胶-蚕丝蛋白双相支架，包裹猪纤维细胞及软骨细胞，通过体外组织细胞共培养，最终可有效形成完整的椎间盘组织。Gloria 等^[100]设计了一种聚 2-羟乙基甲基丙烯酸酯/聚甲基丙烯酸甲酯半互穿网络复合水凝胶，以聚对苯二甲酸乙二酯纤维作为纤维环的替代物，体现了良好的力学特性。Martin 等^[101]构建的复合生物支架其髓核区域由透明质酸水凝胶构成，纤维环区域由 PCL 层及可吸收的聚乳酸-羟基乙酸层组成，移植入大鼠尾椎后，体现出与运动节段相匹配的抗压力学性能。目前髓核-纤维环复合支架仍无法达到与天然椎间盘组织一致的机械力学特性和生物学特性，而且移植入动物体内后，也将面临诱导椎间融合的风险，是未来椎间盘组织工程的发展方向。

水凝胶再生修复退变椎间盘的应用类型见表 1。

表 1.

Application of hydrogel in regeneration of nucleus pulposus in intervertebral disc degeneration

水凝胶再生修复退变椎间盘的应用

应用类型 Type			组成 Composition	参考文献 Reference
人工髓核假体
	预制型
		PDN	聚丙烯腈-聚丙烯酰胺共聚物、聚乙烯纤维	55-56
		Aqarelle	半脱水的聚乙烯醇凝胶	57
	可注射型
		BioSic	牛血清白蛋白、戊二醛	58
以水凝胶为载体的细胞治疗
		藻酸盐水凝胶	藻酸盐	61
		透明质酸水凝胶	透明质酸	62-63
		交联去端肽胶原Ⅱ型水凝胶	去端肽胶原蛋白Ⅱ、聚蛋白多糖和透明质酸	64
		聚乙二醇-层粘连蛋白水凝胶	聚乙二醇、层粘连蛋白	66
		SAPH	苯丙氨酸、谷氨酸、赖氨酸自组装肽	67
		RADA16-Ⅰ-KPSS peptide	BMP-7、RADA16-Ⅰ	68
		紫外光固化水凝胶	氨丙基甲基丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚丙烯酸	69
		IPN	葡聚糖、明胶、聚乙二醇	72
		壳聚糖-聚羟基丁酸酯-硫酸软骨素复合水凝胶	壳聚糖-聚羟基丁酸酯、硫酸软骨素	73
		自组装多肽水凝胶	氧化石墨烯、β-折叠自组装肽	74
以水凝胶为载体的非细胞治疗
	药物
		藻酸盐水凝胶	藻酸盐、地塞米松、甲状腺素、胰岛素	75
		氧化透明质酸/己二酸己二酰肼水凝胶	氧化透明质酸、己二酸己二酰肼	76
		壳聚糖/明胶/磷酸甘油水凝胶	壳聚糖、明胶、磷酸甘油、阿魏酸	77
		吉非替尼控释热敏水凝胶	聚 N-异丙基丙烯酰胺、透明质酸、吉非替尼	78
		KGN 控释水凝胶	壳聚糖-透明质酸、KGN	80
	生长因子
		PMBs/Si-HPMC 水凝胶	支链淀粉微球、纤维素、TGF-β1、GDF-5	83
		TGF-β3 控释水凝胶	聚乳酸-羟基乙酸、右旋糖酐、明胶、TGF-β3	72
		纤维素-透明质酸水凝胶	纤维素、透明质酸、BMP-2、BMP-7	84
		PRP/透明质酸/巴曲酶水凝胶	PRP、透明质酸、巴曲酶	86
	基因
		GDF-5 转染水凝胶	藻酸盐、GDF-5	87
		miR-29 控释水凝胶	聚乙二醇、聚 N-异丙基丙烯酰胺、miR-29	88-89
		壳聚糖-透明质酸水凝胶	壳聚糖、透明质酸、OCT3/4、SOX2、Kruppel 样因子 4、C-myc 癌基因	90
基于水凝胶的组织工程修复
		藻酸盐-PCL 复合支架	藻酸盐水凝胶、环向 PCL 微纤维支架	97
		藻酸盐-胶原纤维复合支架	藻酸盐水凝胶、胶原纤维支架	98
		纤维蛋白/透明质酸水凝胶-蚕丝蛋白双相支架	纤维蛋白/透明质酸水凝胶、蚕丝蛋白支架	99
		聚 2-羟乙基甲基丙烯酸酯/聚甲基丙烯酸甲酯半互穿网络复合水凝胶	聚 2-羟乙基甲基丙烯酸酯/聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二酯纤维支架	100
		透明质酸-PCL/聚乳酸-羟基乙醇复合支架	透明质酸水凝胶、PCL/聚乳酸-羟基乙醇	101

5. 问题与展望

水凝胶生物材料在椎间盘髓核再生、修复和置换中扮演了重要角色。尽管目前水凝胶在椎间盘退变细胞治疗及组织工程治疗方面已取得较大进展，但仍主要停留在细胞及动物实验阶段，对于应用于临床还存在一段距离。水凝胶作为髓核再生修复的生物材料，理想要求是既拥有良好的机械特性，可以恢复椎间隙高度及承受身体负荷，又对椎间盘细胞的增殖、分化、信号传导具有积极作用，与周围组织良好嵌合且无毒害作用。所以，与正常髓核组织相似的良好生物相容性及机械特性，仍然是未来水凝胶材料发展的方向。可注射水凝胶在穿刺进入椎间盘组织内时，不可避免会造成纤维环组织完整性受损，可能引起椎间盘退变。因此，如何安全准确地递送水凝胶生物材料也成为待解决的问题。如前所述，椎间盘组织具有复杂的微环境，如低氧、酸性及不同应力环境等，未来针对退变椎间盘组织的微环境刺激响应性水凝胶也具有良好的发展前景。最后，目前研究生物材料对椎间盘退变的再生修复作用很少与疼痛缓解建立联系，但在临床中疼痛缓解才是患者最关注的问题。所以，建立椎间盘源性疼痛动物模型以及良好的评判标准，对今后应用于临床也非常重要。

作者贡献：石坤负责综述题目构思、资料搜集、观点形成、文章撰写及修改；丰干钧及宋跃明负责综述立题、构思建议，文章初稿的全篇修改；刘立岷负责综述构思建议；黄勇、黄雷震、王竞成、王珏翰协助题目构思及观点形成。

利益冲突：所有作者均声明，本课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突。课题经费支持没有影响文章观点。

Biography

宋跃明，四川大学华西医院骨科教授，主任医师，博士生导师。四川省学术技术带头人，中华医学会骨科常委，中华骨科学会脊柱外科学组委员，中国脊柱脊髓专委会副主委，腰椎外科学组副组长，AO Spine 中国分会理事，中国脊柱畸形研究小组委员，中国脊柱功能重建学会委员，中国康复医学会肢体残疾康复协会理事，中国骨科医师协会骨科分会常务委员，中国骨科医师协会脊柱外科委员会副主委（腰椎工作委员会副主委），四川省骨科分委主任委员，四川省脊柱外科学组组长，成都市骨科专委会主任委员，四川省骨科医师协会副主任委员。《中国修复重建外科杂志》常务副主编以及多家学术期刊编委。获国家专利3项，国家级、部省各级课题 9 项，教育部科技进步一等奖1项，四川省科技进步三等奖 3 项。国家级杂志发表论文 130 余篇，主编专著 1 本、参编专著 13 本

Funding Statement

国家自然科学基金面上项目（81572160、81772397、81871772）；四川省科学技术厅项目（2017SZ0046、2017SZDZX0021）