Mil Med Res：用于治疗骨关节炎的粘附性水凝胶：从设计到应用

骨关节炎(Osteoarthritis, OA)是最常见的退行性关节疾病，全世界的患者超过5亿人，而且患病人数仍然在急剧增加中。水凝胶作为一种含有大量水分的三维网状结构，在骨关节炎的治疗中发挥了重要的作用。前沿研究中，水凝胶在骨关节炎治疗里主要有两方面的应用：1，作为载体递送各种功能物质，例如抗炎药物、生长因子、干细胞等；2，作为组织工程支架，用于促进关节软骨再生。在这些应用中，水凝胶都面临着一个很大的挑战，如何与软骨组织产生稳定的界面螯合，使得功能物质能够稳定地作用于软骨表面，或者使支架中新生的组织能够与原生软骨进行无缝融合。赋予水凝胶组织粘性能够有效地解决这个问题。为此，西安交通大学基础医学院医学工程研究所补亚忠研究员、爱尔兰戈尔韦大学Abhay Pandit院士与中国科学院大学杨飞教授等团队合作在期刊Military Medical Research上发表了题为“Adhesive hydrogels in osteoarthritis: from design to application”的综述文章(全文链接: https://mmrjournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40779-022-00439-3)。

该工作从分子尺度和宏观尺度介绍用于骨关节炎治疗的常见粘性水凝胶的粘接机制，包括分子间作用(intermolecular bonding)以及机械锁定(mechanical interlocking)。常见的有酰胺键，二硫键，醛基与酮基的交联，NHS活性酯，巯基和烯的交联，多酚粘附等。按照来源，将常见粘性凝胶的合成材料分为天然材料和合成材料，包括透明质酸、海藻酸钠、壳聚糖、硫酸软骨素、明胶、贻贝粘附蛋白、纤维蛋白胶、聚乙二醇、泊洛沙姆和泊洛沙明、脂肪族聚酯、聚乙烯醇等。这些粘附性水凝胶通过作为功能性支架或者递送载体，在治疗骨关节炎中发挥着多种作用（图一）。

图一：粘附性水凝胶的粘贴机制，常用成分，及在骨关节炎中的潜在功能

考虑到骨关节炎复杂的致病机制，用于骨关节炎的粘附性水凝胶必须拥有一定的生物功能从而获得更好的疗效。本工作详细列举了这些生物功能的来源。其一，这些生物功能可以来自粘附性水凝胶的构建材料，比如的透明质酸（抗炎特性，促进细胞迁移，维持软骨细胞表型）、明胶（促进细胞粘附、增殖和软骨分化）、海藻酸钠（减缓软骨降解）和硫酸软骨素（介导炎症通路，促进软骨基质产生）等。其二，这些生物功能也可以来自于被递送的功能物质，例如抗炎药、软骨细胞与干细胞、因子和蛋白质、富血小板血浆、多种基因、外泌体等等（图二）。作者对相关来源进行了详细讨论，并介绍其优缺点，以期为生物功能的选择提供参考。

图二：基于功能性的递送物质治疗及在骨关节炎中发挥的主要生物学功能

最后，作者提出如何获得湿润环境下稳定的粘附仍然是一个巨大的挑战，未来的研究可能需要多种粘附机理的结合。同时粘附性水凝胶的性能应该根据其应用进行差异化设计。例如需要递送药物时，应设计在关节运动状态下能够稳定粘附的水凝胶；而作为损伤软骨替代时，应设计具有足够机械强度能够提供力学支撑的粘附水凝胶。鉴于骨关节炎的复杂致病机理以及分子通路，生物功能的引入也是治疗的必须选择。虽然有大量的生物材料用于骨关节炎的治疗，材料科学仍然未完全涉及目前已经发现的骨关节炎致病机理。作者认为，要想真正开发出针对骨关节炎治疗的理想粘附水凝胶需要多学科交叉的合作研究，涉及到化学、药学、生物学、基础医学和临床医学等。