版權信息： ?四川大學華西醫院華西期刊社《中國修復重建外科雜志》版權所有，未經授權不得轉載、改編
關節軟骨損傷是一種普遍存在的疾病，隨著患者年齡增長及運動姿勢和運動量等因素的影響，其發病率逐漸增高。軟骨損傷修復方法較多，包括手術治療和非手術治療。其中手術治療主要以微骨折術為主[1]，同時還包括自體或同種異體骨軟骨移植和軟骨細胞移植術等；非手術治療除了口服抗炎鎮痛藥和局部理療等傳統治療方式外，還包括關節腔內注射透明質酸鈉[2-3]、生長因子[4]、干細胞[5]和水凝膠[6]等。但由于修復效果有限、原料來源不足以及患者對功能修復要求提高等原因，微骨折術、干細胞移植、自體或同種異體軟骨移植等方式[7-8]治療關節軟骨損傷，已無法達到恢復正常功能的需求。
隨著軟骨組織工程材料的研究不斷深入，越來越多生物材料應用于關節軟骨損傷修復中。其中水凝膠因具有良好的親水性、穩定性、組織相容性、生物降解性、可調性及多功能性等優點，被廣泛應用于醫學研究領域[9-10]，其可作為軟骨替代材料，在高強度機械載荷下對磨損的軟骨和軟骨下骨具有較強保護作用。經過不斷地改性、重組并優化其生物性能，目前已制備出更接近生理解剖結構和生物功能的智能響應型水凝膠，并通過搭載多種生物活性因子和細胞，利用其獨特的環境敏感特性，實現對關節內復雜微環境變化的精準響應，進而更高效地應用于關節軟骨損傷修復中。現從水凝膠的類型、響應原理和應用等方面對智能響應型水凝膠在關節軟骨損傷修復中的應用進展做一綜述，為臨床治療提供參考。
1 智能響應型水凝膠概述
智能響應型水凝膠是一種三維高親水性、高分子交聯聚合網狀結構，具有親水溶脹性能[9]、光學性能[11]、力學性能[11]、可塑變形的響應性材料[12]。該水凝膠能快速感知和響應內、外部環境（如酶、溫度、pH值、葡萄糖、離子、強度、光、磁場、電場或上述各因素組合）變化[13]，從而產生疏水性、電離和構象變化等性質轉變[14]，隨著內外環境的改變，達到最佳功能狀態，發揮最大作用，使關節軟骨損傷處修復更接近生理性修復；同時可以攜帶藥物、控制生物信號、封裝細胞。最常見的4種響應型水凝膠有溫度敏感型水凝膠、光敏型水凝膠、酶反應型水凝膠和pH敏感型水凝膠。智能響應型水凝膠因刺激環境不同而發生不同的響應，對關節軟骨的修復更具針對性和可控性，更加智能化。見圖1。
圖1
智能響應型水凝膠的性能
Figure1.
Properties of Intelligent responsive hydrogel
2 響應原理及在關節軟骨損傷修復中的應用
2.1 溫度敏感型水凝膠
溫度敏感型水凝膠是一種通過適宜溫度變化而發生相變的共聚物，這一適宜溫度稱為“臨界溶解溫度（lower critical solution temperature，LCST）”[15]，可使水凝膠在凝膠相與液態相之間發生物理性、可逆性變化，同時使其物理性質發生改變。當溫度低于LCST時表現為液態，高于LCST時表現為凝膠態。溫度敏感型水凝膠以人體體溫作為激活反應行為的觸發器[16]。Tang等[17]通過將端氨基聚 ［N-異丙基丙烯酰胺（poly N-isopropylacrylamide，PNIPAM）］-NH2接枝到透明質酸（hyaluronic acid，HA）上，當LCST在32℃左右時合成了HA-g-PNIPAM共聚物，在軟骨組織工程中應用于輸送軟骨細胞，促進軟骨再生修復。在兔滑膜液MSCs的乙二醇殼聚糖/苯甲醛封端的聚環氧乙烷可注射溫度敏感型水凝膠制備實驗中[18]，利用溫度變化特性進行細胞操作，將負載軟骨干細胞的水凝膠注射至軟骨缺損模型中，纖維狀修復組織的面積遠大于未負載干細胞水凝膠組，顯示出優異的軟骨修復功能。溫度敏感型水凝膠在凝膠狀態時，其高親脂性為細胞增殖、細胞信號轉導、氣體交換以及細胞和組織對剪切力的防御等提供了良好環境。它同時具有聚合材料的多種特征，如空間網絡結構和高含水量，目前廣泛應用于醫藥生命科學等多個領域。
目前最常見的溫度敏感型水凝膠包括PNIPAM和聚乙二醇的嵌段、瓊脂糖、明膠、透明質酸鈉水凝膠、聚環氧乙烷-聚環氧丙烷-聚環氧乙烷水凝膠、殼聚糖水凝膠、立體復合聚乳酸溫敏水凝膠，其中最常見的是PNIPAM和聚乙二醇的嵌段。PNIPAM是一種熱敏性聚合材料，在LCST約為32.5℃時會出現溶膠-凝膠狀態轉變[19]，在一些研究中被用于關節軟骨修復，其溫敏特性有助于實現良好操作和適應體內環境。Jiang等[20]將鎂顆粒加入甘油磷酸酯溶液中，并與殼聚糖溶液混合，制備了含鎂離子的多孔可注射熱敏水凝膠。鎂顆粒的摻入使水凝膠形成了相互連接的孔隙，表現出高細胞相容性，并在體外維持細胞活力、細胞增殖和擴散以及成骨等；同時，水凝膠的孔隙能允許細胞在其中遷移、增殖和分化[21]。但孔隙率增加會降低支架的力學性能，而孔隙率不足會導致再生不良[22]。
在關節軟骨修復中，溫度敏感型水凝膠可作為軟骨細胞生長和增殖的三維支架，為細胞提供適宜的空間網絡和安全微環境，促進干細胞募集和軟骨分化以及新軟骨組織的形成。溫度敏感型水凝膠能夠更好地填充關節軟骨缺損部位，特別是不規則損傷，恢復關節表面的完整性和光滑度。為提高關節軟骨修復的精確性，也可利用3D打印技術制造具有個性化形狀和結構的溫度敏感型水凝膠支架，以適配不同患者的關節軟骨缺損。Huang等[23]通過可注射溫度敏感型聚消旋乳酸-聚乙二醇-聚消旋乳酸水凝膠遞送系統在關節內持續釋放瘦素抑制劑的潛在優勢，研究其對軟骨修復的影響，結果顯示在軟骨下骨和軟骨修復方面具有良好效果。同時，溫度敏感型水凝膠可負載生長因子、藥物等生物活性物質[24]，通過溫度響應特性實現對這些物質的緩慢、持續釋放，更好地促進軟骨細胞增殖和分化。其還可與其他生物材料或治療方法協同，如與干細胞技術結合，提升關節軟骨修復效果[25-26]。該水凝膠有助于減輕關節內炎癥反應，Tian等[27]通過大鼠實驗證實溫度敏感型水凝膠具有抗菌性能，且對大腸桿菌的抗菌率達到87.17%±2.48%，明顯高于普通水凝膠組的54.41%±4.29%；其還可減少炎癥條件下的軟骨細胞分解代謝，為軟骨修復創造相對穩定的內環境。該水凝膠在一定程度上可以模擬天然軟骨的力學性能和環境，有利于軟骨細胞分化和軟骨功能修復重建。由于其可在LCST下發生相變，因此便于通過注射、微創手段輕松植入損傷部位，無需外部交聯劑，可減少手術時間和創傷[28]。
但在實際應用中，溫度敏感型水凝膠也存在不足有待優化。① 精準控制溫度敏感型水凝膠的相變溫度比較困難，尤其在深層組織中或在炎癥、創傷等病理狀態下體溫發生變化時。② 在機械力學方面，溫度敏感型水凝膠能否耐受日常生活中行走、跑跳運動等帶來的持久摩擦和擠壓，以及失去液相變化過程中體溫對水凝膠的控制，造成溫度敏感型水凝膠疲勞性碎裂或誘發機體免疫反應等。未來研究中，還需要通過對溫度敏感型水凝膠不斷研究和改進，以提高其機械性能、組織相容性和生物降解特性，使其在關節軟骨修復中發揮更大作用。
2.2 光敏型水凝膠
光敏型水凝膠是一種能夠對光產生響應的水凝膠，通常由水凝膠基質、光敏劑和水組成[29]。在光的作用下，光敏劑會發生物理或化學變化，從而導致水凝膠性質發生改變，如凝膠化、溶膠化、網格收縮或膨脹等。其主要響應原理是光敏分子在光的作用下會發生異構化反應，如無色三苯基甲烷衍生物的解離和偶氮基團的順反異構[30-31]，這種異構化會導致分子構象和偶極矩的變化，從而影響水凝膠的溶脹性能。光敏型水凝膠具有可逆性或在構象、極性、兩親性、電荷、光學等方面的不可逆轉特性，以及對光刺激的共軛反應，可逆發色團或分子開關在光照射下發生可逆異構化，而不可逆發色團在光照射下則從聚合物鏈上斷裂[32]。在紫外線照射下，多孔水凝膠支架的孔隙直徑由最初的（89.1±17.5）μm增大至約190 nm，表明存在微觀重構過程，這是由于相鄰孔隙的合并使直徑增大所致[33]。光敏分子在光的照射下會發生解離，產生離子或自由基，這些離子或自由基可以改變水凝膠內部的離子濃度差，引起滲透壓變化，進而實現水凝膠響應性；同時，光敏型水凝膠還可雜化鐵、銅、銀等金屬離子以增強其性能；光敏材料可將光能轉化為熱能，使水凝膠局部溫度升高[19]。當溫度達到熱敏性材料的LCST時，水凝膠會發生響應，例如出現相轉變現象[34]。光敏基團在光的作用下可以發生化學反應，如裂解、加成等，這些反應可以導致水凝膠的交聯點斷裂或形成，從而改變水凝膠的網絡結構和性能。Diego等[35]通過光交聯獲得的特異性和無菌的甲基丙烯酸化結冷膠，為人軟骨細胞包封提供了一個安全微環境，并為細胞表達Ⅱ型膠原提供了一個適宜環境，為軟骨缺損治療提供了新方法。
光敏型水凝膠治療關節軟骨損傷除了具備溫度敏感型水凝膠應有的填充和支撐作用、促進細胞增殖和分化、調控炎癥、提供營養和氧氣以及濕潤的內環境外，還可通過光敏基團的作用實現對藥物或生長因子的精準光控釋放 ［即在專用光照儀于特定波長（如405 nm）光照下，水凝膠中的光敏基團發生反應，導致水凝膠結構變化，從而釋放出包裹在其中的藥物或生長因子］，以提高治療效果并減少藥物副作用[36-37]。Gao等[38]的一項豬膝關節實驗研究表明，將光敏型水凝膠與微骨折術結合使用，可促進膝關節軟骨及軟骨下骨損傷修復，且機械強度可達（213±5）kPa，雖然不及天然軟骨的彈性和強度，但仍略高于任何用于臨床軟骨修復的膠原基支架。
但光敏型水凝膠治療關節軟骨損傷仍存在一些不足。水凝膠的液相變化及作用發揮需要特定光照條件和治療環境，臨床應用中會占用患者很大部分學習、工作和日常生活時間，同時需對光照的強度、時間、波長等參數進行精準控制，以免影響水凝膠的性能和治療效果。對于一些深部組織損傷，光照強度過大會對患者造成副損傷，而強度過小又無法達到治療效果。希望通過不斷優化上述不足，合理設計光敏型水凝膠分子結構和光敏基團的類型、位置，可以實現對光的響應，從而使其在藥物釋放、組織工程、生物傳感器等領域具有廣泛應用前景。
2.3 酶反應型水凝膠
酶反應型水凝膠的作用原理是利用特定酶，如葡萄糖氧化酶、β-半乳糖苷酶和金屬蛋白酶等，與相應底物或基團之間反應來促使水凝膠的形成或性質變化。當酶存在時，這些底物或基團發生反應導致水凝膠的交聯結構發生改變，使交聯程度減弱或解體，從而改變水凝膠的孔徑和孔隙率[39]，使藥物或生長因子等通過釋放通道從水凝膠中逐漸釋放出來。通過控制酶的活性和濃度可以精準調控水凝膠的形成和性能。酶反應型水凝膠是一種智能藥物輸送系統，能夠響應特定的酶活性，從而在特定生物環境中控制藥物釋放的部位、時機和速率，提高藥物療效并減少副作用。
在關節軟骨修復中，水凝膠可以模擬軟骨的細胞外基質，通過酶反應調節其力學性能和生物學活性，為細胞提供適宜的生長環境，支持軟骨細胞的生長和分化。Khanmohammadi等[40]在HA苯基和明膠苯基骨架上取代酚羥基，然后以H2O2作為電子供體進行辣根過氧化物酶交聯，為細胞行為和軟骨組織工程創造穩定的雜交微環境。Kim等[41]利用由明膠微球和酶交聯明膠層緊密包裹組成的明膠包，增大了酶促反應面積和作用時間，實現了BMP-2和抗生素的遞送和藥物控釋。酶反應型水凝膠還可與TGF-β1等生長因子結合，當水凝膠在軟骨損傷部位降解時，生長因子被緩慢釋放，促進軟骨組織再生和修復。同時，降解速度應與修復速度相匹配，水凝膠的降解可為細胞生長和組織形成提供足夠空間。Naghizadeh等[42]在兔膝關節軟骨損傷實驗中證實，在軟骨損傷部位注射30 d后，水凝膠/微粒的降解率為45.19%，60 d后為70.43%。
酶反應型水凝膠特異性高，可控性和生物相容性較好。但由于酶穩定性易受內、外環境因素影響而導致活性改變或失活，使得酶過早降解或失去功能，影響軟骨損傷修復效果。同時，酶的成本相對較高、制備程序復雜，且外源性酶易導致免疫反應或其他不良后果，而內源性酶易受體內炎癥、應激、循環等因素影響。在酶反應型水凝膠降解過程中是否會產生具有細胞毒性的物質，也需要進一步研究和證實，以提高其有效性和安全性。
2.4 pH敏感型水凝膠
pH敏感型水凝膠是一種能對pH值變化做出響應的水凝膠，通常由含有酸性或堿性基團的三維聚合物網絡組成。當pH值發生變化時，水凝膠電荷密度、親疏水性和交聯鍵穩定性的物理或化學性質發生相應改變。如殼聚糖基水凝膠和聚丙烯酸水凝膠等，酸堿基團在不同pH值下會發生電離或質子化[43]，導致水凝膠的溶膨程度、電荷性質、溶解性等發生變化。pH敏感型水凝膠是一種獨特的親水性聚合物，其網絡結構中包含離子側基，能夠響應pH值的變化，通過在水溶液或生物溶液中吸收或釋放水分來改變體積，實現溶脹或收縮[44-45]。當pH值在2.0～7.4之間變化時，水凝膠表現出可逆的溶脹反應[46]。這使得pH敏感型水凝膠在藥物輸送[47]、組織工程、軟制動器等多個研究領域中有廣泛應用潛力，具有智能、高效、安全和便捷的優點。例如在軟骨損傷、靶向癌癥治療和皮膚損傷治療中，通過實現體積變化、延長藥物釋放時間、提高藥物的靶向性和利用率來實現精準治療。pH敏感型水凝膠合成快速且成本較低，進一步推動了其在生物醫學應用中的發展。Suhail等[48]合成了具有鎮痛、抗炎、修復功能的pH敏感型硫酸軟骨素-共聚雙氯芬酸鈉控釋用水凝膠，這一作用更加豐富了水凝膠在組織工程領域的應用。
研究者通過多種方式設計和制備pH敏感型水凝膠，包括使用酸-裂解型細胞負載微凝膠、DNA功能化的PNIPAM共聚物鏈、基于智能DNA水凝膠的納米通道等[49]，以實現對細胞、藥物、生長因子等的pH控制釋放。同時可以通過改變酸堿度來改變水凝膠的溶膨性和硬度。Qureshi等[50]研究證實，pH值為4時水凝膠的溶膨率最大，且對頭孢克肟的緩釋率高達84.98%。在關節軟骨損傷治療中，將聚合物水溶液注射至損傷部位，可以在關節軟骨損傷處關節液pH值的刺激下適應性改變體積，形成凝膠網絡結構，并適時負載和釋放藥物、細胞生長因子和生物活性分子等，有效促進軟骨細胞的增殖、遷移、分化和黏附過程，同時抑制炎癥和分解代謝產生的介質，從而抑制軟骨降解和滑膜炎癥，以修復關節軟骨損傷。
pH敏感型水凝膠發揮作用主要依賴于pH值的變化，但體內pH值受到炎癥、創傷、運動、體溫等多種因素的影響，而無法保持在恒定范圍內，極大影響了水凝膠對關節軟骨損傷的治療。另外，對pH值的日常監測無法準確、便捷進行，也將影響水凝膠對軟骨損傷的正常治療。未來研究應重點關注此類不足，并提出更好的解決辦法。
2.5 其他響應型水凝膠
由于刺激因素不同，智能響應型水凝膠還包括活性氧響應型、電響應型、磁響應型、超聲響應型、壓力響應型、化學促發型等多種類型。① 活性氧響應型水凝膠是具有化學活性的含氧分子結合水凝膠，可以促進軟骨細胞增殖和軟骨基質形成[51]。② 電響應型水凝膠是通過電場刺激使帶電離子或基團發生遷移和重排，從而改變水凝膠理化性質。有研究者在總結電響應型水凝膠時發現[52-54]，電刺激在促進組織再生方面具有顯著作用，在軟骨內部有關節運動或變形過程中自然產生的電流。因此，軟骨修復可能受益于外部電刺激，其重構了受損軟骨中被破壞的電微環境，在電刺激下很好地發揮了水凝膠的抗炎、促進再生的作用。③ 磁響應型水凝膠是指在不同磁場和強度環境下，水凝膠攜帶的磁性納米粒子得以釋放，作用于軟骨損傷部位，促使軟骨細胞分化、增殖，達到修復損傷的作用[55-56]。④ 超聲響應型水凝膠充分發揮了超聲波的非侵入性和空間準確性優勢[57]，在不同頻率刺激下使注射入關節腔內的響應型水凝膠發生液相變化。當脂質等膜殼材料與水凝膠復合后，通過超聲刺激可以間接調控水凝膠的結構與性能[58]，并且釋放所攜帶的藥物或生長因子促進軟骨愈合[59]。⑤ 壓力響應型水凝膠通過水凝膠的溶膨特性，在特定壓力和活動中刺激響應變化，對關節軟骨起到支架保護和促進軟骨細胞擴散和成骨分化的作用[60]。⑥ 化學促發型水凝膠是由于金屬離子通過橋聯DNA序列中的堿基錯配構建雙鏈DNA[61]，進而促進了不同金屬離子與響應型DNA水凝膠共同發揮作用，促進軟骨損傷修復。
3 總結與展望
智能響應型水凝膠不僅具有水凝膠應有的共性，還有其自身優點。在關節軟骨損傷修復中可通過不同條件作用，使得智能響應型水凝膠發生相變并改變其孔隙，起到損傷部位的填充保護作用，并促進軟骨細胞增殖、分化，實現快速修復。智能響應型水凝膠不僅可以作為結構支撐或運載工具，還可以作為功能調節劑。本文綜述了4種常見的響應型水凝膠，并對其原理、用途和不足進行了總結（表1）。根據不同智能響應型水凝膠對不同刺激的敏感性和響應機制，應用相應刺激來控制藥物或生物活性分子在局部靶向傳播，可有效提高治療效果、降低不良反應。智能響應型水凝膠在藥物遞送和組織工程領域受到了廣泛關注，與靜態水凝膠支架相比，其功能更加強大，能夠實現動態響應和細胞兼容，從而實現按需控制細胞微環境。
表1
4種常見智能響應型水凝膠的總結
Table1.
Summary of four common intelligent responsive hydrogels
組織工程在軟骨再生方面具有廣闊應用前景，然而智能響應型水凝膠在應用中也存在諸多局限性。與天然軟骨相比，其力學強度可能不足，特別是在關節進行反復同一動作下或在瞬間壓力增大時，可能出現變形、破裂等問題；降解速度與軟骨修復的進程不匹配，同樣影響修復效果，若降解過快，軟骨修復尚未完成，達不到治療目的。盡管智能響應型水凝膠具有較好的生物相容性，但仍為異物，若降解速度過慢，有繼發免疫排斥反應或慢性炎癥可能，且作為游離體會影響關節活動；將智能響應型水凝膠注射至損傷部位后，由于光照強度和時間、溫度、pH值以及酶的穩定性都會影響水凝膠的作用，并影響修復效果。
隨著研究的不斷深入，越來越多的動物實驗和初步臨床研究對智能響應型水凝膠在體內長期的修復效果、安全性等進行了更全面的評估和驗證。可將溫度、pH值、光、酶、磁、電等多種刺激響應因素結合起來，研究出具有多功能化的雙敏型或多敏型響應材料；開發具有更寬響應范圍、更快響應速度和更好生物相容性的新型水凝膠材料，實現更精確的控釋作用和充分發揮生物性能；開發用于實時監測和生物傳感器的新型材料；研究更簡單、高效的水凝膠制備方法和更精確的表征技術；研制出獨立包裝、可直接應用于臨床的成熟智能響應型水凝膠產品，使智能響應型水凝膠在軟骨損傷修復中發揮更大作用，最大程度接近天然軟骨的性能，使其成為關節軟骨損傷的理想修復材料，并獲得廣泛應用。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突；經費支持沒有影響文章觀點和報道
作者貢獻聲明 徐青雨：綜述構思及設計、文章撰寫；畢書浩、楊智翔：資料收集；張保健、李紅日、劉成日：對文章提出修改意見并補充觀點；劉彥群：審閱文章并對學術內容進行指導修改
關節軟骨損傷是一種普遍存在的疾病，隨著患者年齡增長及運動姿勢和運動量等因素的影響，其發病率逐漸增高。軟骨損傷修復方法較多，包括手術治療和非手術治療。其中手術治療主要以微骨折術為主[1]，同時還包括自體或同種異體骨軟骨移植和軟骨細胞移植術等；非手術治療除了口服抗炎鎮痛藥和局部理療等傳統治療方式外，還包括關節腔內注射透明質酸鈉[2-3]、生長因子[4]、干細胞[5]和水凝膠[6]等。但由于修復效果有限、原料來源不足以及患者對功能修復要求提高等原因，微骨折術、干細胞移植、自體或同種異體軟骨移植等方式[7-8]治療關節軟骨損傷，已無法達到恢復正常功能的需求。
隨著軟骨組織工程材料的研究不斷深入，越來越多生物材料應用于關節軟骨損傷修復中。其中水凝膠因具有良好的親水性、穩定性、組織相容性、生物降解性、可調性及多功能性等優點，被廣泛應用于醫學研究領域[9-10]，其可作為軟骨替代材料，在高強度機械載荷下對磨損的軟骨和軟骨下骨具有較強保護作用。經過不斷地改性、重組并優化其生物性能，目前已制備出更接近生理解剖結構和生物功能的智能響應型水凝膠，并通過搭載多種生物活性因子和細胞，利用其獨特的環境敏感特性，實現對關節內復雜微環境變化的精準響應，進而更高效地應用于關節軟骨損傷修復中。現從水凝膠的類型、響應原理和應用等方面對智能響應型水凝膠在關節軟骨損傷修復中的應用進展做一綜述，為臨床治療提供參考。
1 智能響應型水凝膠概述
智能響應型水凝膠是一種三維高親水性、高分子交聯聚合網狀結構，具有親水溶脹性能[9]、光學性能[11]、力學性能[11]、可塑變形的響應性材料[12]。該水凝膠能快速感知和響應內、外部環境（如酶、溫度、pH值、葡萄糖、離子、強度、光、磁場、電場或上述各因素組合）變化[13]，從而產生疏水性、電離和構象變化等性質轉變[14]，隨著內外環境的改變，達到最佳功能狀態，發揮最大作用，使關節軟骨損傷處修復更接近生理性修復；同時可以攜帶藥物、控制生物信號、封裝細胞。最常見的4種響應型水凝膠有溫度敏感型水凝膠、光敏型水凝膠、酶反應型水凝膠和pH敏感型水凝膠。智能響應型水凝膠因刺激環境不同而發生不同的響應，對關節軟骨的修復更具針對性和可控性，更加智能化。見圖1。
圖1
智能響應型水凝膠的性能
Figure1.
Properties of Intelligent responsive hydrogel
2 響應原理及在關節軟骨損傷修復中的應用
2.1 溫度敏感型水凝膠
溫度敏感型水凝膠是一種通過適宜溫度變化而發生相變的共聚物，這一適宜溫度稱為“臨界溶解溫度（lower critical solution temperature，LCST）”[15]，可使水凝膠在凝膠相與液態相之間發生物理性、可逆性變化，同時使其物理性質發生改變。當溫度低于LCST時表現為液態，高于LCST時表現為凝膠態。溫度敏感型水凝膠以人體體溫作為激活反應行為的觸發器[16]。Tang等[17]通過將端氨基聚 ［N-異丙基丙烯酰胺（poly N-isopropylacrylamide，PNIPAM）］-NH2接枝到透明質酸（hyaluronic acid，HA）上，當LCST在32℃左右時合成了HA-g-PNIPAM共聚物，在軟骨組織工程中應用于輸送軟骨細胞，促進軟骨再生修復。在兔滑膜液MSCs的乙二醇殼聚糖/苯甲醛封端的聚環氧乙烷可注射溫度敏感型水凝膠制備實驗中[18]，利用溫度變化特性進行細胞操作，將負載軟骨干細胞的水凝膠注射至軟骨缺損模型中，纖維狀修復組織的面積遠大于未負載干細胞水凝膠組，顯示出優異的軟骨修復功能。溫度敏感型水凝膠在凝膠狀態時，其高親脂性為細胞增殖、細胞信號轉導、氣體交換以及細胞和組織對剪切力的防御等提供了良好環境。它同時具有聚合材料的多種特征，如空間網絡結構和高含水量，目前廣泛應用于醫藥生命科學等多個領域。
目前最常見的溫度敏感型水凝膠包括PNIPAM和聚乙二醇的嵌段、瓊脂糖、明膠、透明質酸鈉水凝膠、聚環氧乙烷-聚環氧丙烷-聚環氧乙烷水凝膠、殼聚糖水凝膠、立體復合聚乳酸溫敏水凝膠，其中最常見的是PNIPAM和聚乙二醇的嵌段。PNIPAM是一種熱敏性聚合材料，在LCST約為32.5℃時會出現溶膠-凝膠狀態轉變[19]，在一些研究中被用于關節軟骨修復，其溫敏特性有助于實現良好操作和適應體內環境。Jiang等[20]將鎂顆粒加入甘油磷酸酯溶液中，并與殼聚糖溶液混合，制備了含鎂離子的多孔可注射熱敏水凝膠。鎂顆粒的摻入使水凝膠形成了相互連接的孔隙，表現出高細胞相容性，并在體外維持細胞活力、細胞增殖和擴散以及成骨等；同時，水凝膠的孔隙能允許細胞在其中遷移、增殖和分化[21]。但孔隙率增加會降低支架的力學性能，而孔隙率不足會導致再生不良[22]。
在關節軟骨修復中，溫度敏感型水凝膠可作為軟骨細胞生長和增殖的三維支架，為細胞提供適宜的空間網絡和安全微環境，促進干細胞募集和軟骨分化以及新軟骨組織的形成。溫度敏感型水凝膠能夠更好地填充關節軟骨缺損部位，特別是不規則損傷，恢復關節表面的完整性和光滑度。為提高關節軟骨修復的精確性，也可利用3D打印技術制造具有個性化形狀和結構的溫度敏感型水凝膠支架，以適配不同患者的關節軟骨缺損。Huang等[23]通過可注射溫度敏感型聚消旋乳酸-聚乙二醇-聚消旋乳酸水凝膠遞送系統在關節內持續釋放瘦素抑制劑的潛在優勢，研究其對軟骨修復的影響，結果顯示在軟骨下骨和軟骨修復方面具有良好效果。同時，溫度敏感型水凝膠可負載生長因子、藥物等生物活性物質[24]，通過溫度響應特性實現對這些物質的緩慢、持續釋放，更好地促進軟骨細胞增殖和分化。其還可與其他生物材料或治療方法協同，如與干細胞技術結合，提升關節軟骨修復效果[25-26]。該水凝膠有助于減輕關節內炎癥反應，Tian等[27]通過大鼠實驗證實溫度敏感型水凝膠具有抗菌性能，且對大腸桿菌的抗菌率達到87.17%±2.48%，明顯高于普通水凝膠組的54.41%±4.29%；其還可減少炎癥條件下的軟骨細胞分解代謝，為軟骨修復創造相對穩定的內環境。該水凝膠在一定程度上可以模擬天然軟骨的力學性能和環境，有利于軟骨細胞分化和軟骨功能修復重建。由于其可在LCST下發生相變，因此便于通過注射、微創手段輕松植入損傷部位，無需外部交聯劑，可減少手術時間和創傷[28]。
但在實際應用中，溫度敏感型水凝膠也存在不足有待優化。① 精準控制溫度敏感型水凝膠的相變溫度比較困難，尤其在深層組織中或在炎癥、創傷等病理狀態下體溫發生變化時。② 在機械力學方面，溫度敏感型水凝膠能否耐受日常生活中行走、跑跳運動等帶來的持久摩擦和擠壓，以及失去液相變化過程中體溫對水凝膠的控制，造成溫度敏感型水凝膠疲勞性碎裂或誘發機體免疫反應等。未來研究中，還需要通過對溫度敏感型水凝膠不斷研究和改進，以提高其機械性能、組織相容性和生物降解特性，使其在關節軟骨修復中發揮更大作用。
2.2 光敏型水凝膠
光敏型水凝膠是一種能夠對光產生響應的水凝膠，通常由水凝膠基質、光敏劑和水組成[29]。在光的作用下，光敏劑會發生物理或化學變化，從而導致水凝膠性質發生改變，如凝膠化、溶膠化、網格收縮或膨脹等。其主要響應原理是光敏分子在光的作用下會發生異構化反應，如無色三苯基甲烷衍生物的解離和偶氮基團的順反異構[30-31]，這種異構化會導致分子構象和偶極矩的變化，從而影響水凝膠的溶脹性能。光敏型水凝膠具有可逆性或在構象、極性、兩親性、電荷、光學等方面的不可逆轉特性，以及對光刺激的共軛反應，可逆發色團或分子開關在光照射下發生可逆異構化，而不可逆發色團在光照射下則從聚合物鏈上斷裂[32]。在紫外線照射下，多孔水凝膠支架的孔隙直徑由最初的（89.1±17.5）μm增大至約190 nm，表明存在微觀重構過程，這是由于相鄰孔隙的合并使直徑增大所致[33]。光敏分子在光的照射下會發生解離，產生離子或自由基，這些離子或自由基可以改變水凝膠內部的離子濃度差，引起滲透壓變化，進而實現水凝膠響應性；同時，光敏型水凝膠還可雜化鐵、銅、銀等金屬離子以增強其性能；光敏材料可將光能轉化為熱能，使水凝膠局部溫度升高[19]。當溫度達到熱敏性材料的LCST時，水凝膠會發生響應，例如出現相轉變現象[34]。光敏基團在光的作用下可以發生化學反應，如裂解、加成等，這些反應可以導致水凝膠的交聯點斷裂或形成，從而改變水凝膠的網絡結構和性能。Diego等[35]通過光交聯獲得的特異性和無菌的甲基丙烯酸化結冷膠，為人軟骨細胞包封提供了一個安全微環境，并為細胞表達Ⅱ型膠原提供了一個適宜環境，為軟骨缺損治療提供了新方法。
光敏型水凝膠治療關節軟骨損傷除了具備溫度敏感型水凝膠應有的填充和支撐作用、促進細胞增殖和分化、調控炎癥、提供營養和氧氣以及濕潤的內環境外，還可通過光敏基團的作用實現對藥物或生長因子的精準光控釋放 ［即在專用光照儀于特定波長（如405 nm）光照下，水凝膠中的光敏基團發生反應，導致水凝膠結構變化，從而釋放出包裹在其中的藥物或生長因子］，以提高治療效果并減少藥物副作用[36-37]。Gao等[38]的一項豬膝關節實驗研究表明，將光敏型水凝膠與微骨折術結合使用，可促進膝關節軟骨及軟骨下骨損傷修復，且機械強度可達（213±5）kPa，雖然不及天然軟骨的彈性和強度，但仍略高于任何用于臨床軟骨修復的膠原基支架。
但光敏型水凝膠治療關節軟骨損傷仍存在一些不足。水凝膠的液相變化及作用發揮需要特定光照條件和治療環境，臨床應用中會占用患者很大部分學習、工作和日常生活時間，同時需對光照的強度、時間、波長等參數進行精準控制，以免影響水凝膠的性能和治療效果。對于一些深部組織損傷，光照強度過大會對患者造成副損傷，而強度過小又無法達到治療效果。希望通過不斷優化上述不足，合理設計光敏型水凝膠分子結構和光敏基團的類型、位置，可以實現對光的響應，從而使其在藥物釋放、組織工程、生物傳感器等領域具有廣泛應用前景。
2.3 酶反應型水凝膠
酶反應型水凝膠的作用原理是利用特定酶，如葡萄糖氧化酶、β-半乳糖苷酶和金屬蛋白酶等，與相應底物或基團之間反應來促使水凝膠的形成或性質變化。當酶存在時，這些底物或基團發生反應導致水凝膠的交聯結構發生改變，使交聯程度減弱或解體，從而改變水凝膠的孔徑和孔隙率[39]，使藥物或生長因子等通過釋放通道從水凝膠中逐漸釋放出來。通過控制酶的活性和濃度可以精準調控水凝膠的形成和性能。酶反應型水凝膠是一種智能藥物輸送系統，能夠響應特定的酶活性，從而在特定生物環境中控制藥物釋放的部位、時機和速率，提高藥物療效并減少副作用。
在關節軟骨修復中，水凝膠可以模擬軟骨的細胞外基質，通過酶反應調節其力學性能和生物學活性，為細胞提供適宜的生長環境，支持軟骨細胞的生長和分化。Khanmohammadi等[40]在HA苯基和明膠苯基骨架上取代酚羥基，然后以H2O2作為電子供體進行辣根過氧化物酶交聯，為細胞行為和軟骨組織工程創造穩定的雜交微環境。Kim等[41]利用由明膠微球和酶交聯明膠層緊密包裹組成的明膠包，增大了酶促反應面積和作用時間，實現了BMP-2和抗生素的遞送和藥物控釋。酶反應型水凝膠還可與TGF-β1等生長因子結合，當水凝膠在軟骨損傷部位降解時，生長因子被緩慢釋放，促進軟骨組織再生和修復。同時，降解速度應與修復速度相匹配，水凝膠的降解可為細胞生長和組織形成提供足夠空間。Naghizadeh等[42]在兔膝關節軟骨損傷實驗中證實，在軟骨損傷部位注射30 d后，水凝膠/微粒的降解率為45.19%，60 d后為70.43%。
酶反應型水凝膠特異性高，可控性和生物相容性較好。但由于酶穩定性易受內、外環境因素影響而導致活性改變或失活，使得酶過早降解或失去功能，影響軟骨損傷修復效果。同時，酶的成本相對較高、制備程序復雜，且外源性酶易導致免疫反應或其他不良后果，而內源性酶易受體內炎癥、應激、循環等因素影響。在酶反應型水凝膠降解過程中是否會產生具有細胞毒性的物質，也需要進一步研究和證實，以提高其有效性和安全性。
2.4 pH敏感型水凝膠
pH敏感型水凝膠是一種能對pH值變化做出響應的水凝膠，通常由含有酸性或堿性基團的三維聚合物網絡組成。當pH值發生變化時，水凝膠電荷密度、親疏水性和交聯鍵穩定性的物理或化學性質發生相應改變。如殼聚糖基水凝膠和聚丙烯酸水凝膠等，酸堿基團在不同pH值下會發生電離或質子化[43]，導致水凝膠的溶膨程度、電荷性質、溶解性等發生變化。pH敏感型水凝膠是一種獨特的親水性聚合物，其網絡結構中包含離子側基，能夠響應pH值的變化，通過在水溶液或生物溶液中吸收或釋放水分來改變體積，實現溶脹或收縮[44-45]。當pH值在2.0～7.4之間變化時，水凝膠表現出可逆的溶脹反應[46]。這使得pH敏感型水凝膠在藥物輸送[47]、組織工程、軟制動器等多個研究領域中有廣泛應用潛力，具有智能、高效、安全和便捷的優點。例如在軟骨損傷、靶向癌癥治療和皮膚損傷治療中，通過實現體積變化、延長藥物釋放時間、提高藥物的靶向性和利用率來實現精準治療。pH敏感型水凝膠合成快速且成本較低，進一步推動了其在生物醫學應用中的發展。Suhail等[48]合成了具有鎮痛、抗炎、修復功能的pH敏感型硫酸軟骨素-共聚雙氯芬酸鈉控釋用水凝膠，這一作用更加豐富了水凝膠在組織工程領域的應用。
研究者通過多種方式設計和制備pH敏感型水凝膠，包括使用酸-裂解型細胞負載微凝膠、DNA功能化的PNIPAM共聚物鏈、基于智能DNA水凝膠的納米通道等[49]，以實現對細胞、藥物、生長因子等的pH控制釋放。同時可以通過改變酸堿度來改變水凝膠的溶膨性和硬度。Qureshi等[50]研究證實，pH值為4時水凝膠的溶膨率最大，且對頭孢克肟的緩釋率高達84.98%。在關節軟骨損傷治療中，將聚合物水溶液注射至損傷部位，可以在關節軟骨損傷處關節液pH值的刺激下適應性改變體積，形成凝膠網絡結構，并適時負載和釋放藥物、細胞生長因子和生物活性分子等，有效促進軟骨細胞的增殖、遷移、分化和黏附過程，同時抑制炎癥和分解代謝產生的介質，從而抑制軟骨降解和滑膜炎癥，以修復關節軟骨損傷。
pH敏感型水凝膠發揮作用主要依賴于pH值的變化，但體內pH值受到炎癥、創傷、運動、體溫等多種因素的影響，而無法保持在恒定范圍內，極大影響了水凝膠對關節軟骨損傷的治療。另外，對pH值的日常監測無法準確、便捷進行，也將影響水凝膠對軟骨損傷的正常治療。未來研究應重點關注此類不足，并提出更好的解決辦法。
2.5 其他響應型水凝膠
由于刺激因素不同，智能響應型水凝膠還包括活性氧響應型、電響應型、磁響應型、超聲響應型、壓力響應型、化學促發型等多種類型。① 活性氧響應型水凝膠是具有化學活性的含氧分子結合水凝膠，可以促進軟骨細胞增殖和軟骨基質形成[51]。② 電響應型水凝膠是通過電場刺激使帶電離子或基團發生遷移和重排，從而改變水凝膠理化性質。有研究者在總結電響應型水凝膠時發現[52-54]，電刺激在促進組織再生方面具有顯著作用，在軟骨內部有關節運動或變形過程中自然產生的電流。因此，軟骨修復可能受益于外部電刺激，其重構了受損軟骨中被破壞的電微環境，在電刺激下很好地發揮了水凝膠的抗炎、促進再生的作用。③ 磁響應型水凝膠是指在不同磁場和強度環境下，水凝膠攜帶的磁性納米粒子得以釋放，作用于軟骨損傷部位，促使軟骨細胞分化、增殖，達到修復損傷的作用[55-56]。④ 超聲響應型水凝膠充分發揮了超聲波的非侵入性和空間準確性優勢[57]，在不同頻率刺激下使注射入關節腔內的響應型水凝膠發生液相變化。當脂質等膜殼材料與水凝膠復合后，通過超聲刺激可以間接調控水凝膠的結構與性能[58]，并且釋放所攜帶的藥物或生長因子促進軟骨愈合[59]。⑤ 壓力響應型水凝膠通過水凝膠的溶膨特性，在特定壓力和活動中刺激響應變化，對關節軟骨起到支架保護和促進軟骨細胞擴散和成骨分化的作用[60]。⑥ 化學促發型水凝膠是由于金屬離子通過橋聯DNA序列中的堿基錯配構建雙鏈DNA[61]，進而促進了不同金屬離子與響應型DNA水凝膠共同發揮作用，促進軟骨損傷修復。
3 總結與展望
智能響應型水凝膠不僅具有水凝膠應有的共性，還有其自身優點。在關節軟骨損傷修復中可通過不同條件作用，使得智能響應型水凝膠發生相變并改變其孔隙，起到損傷部位的填充保護作用，并促進軟骨細胞增殖、分化，實現快速修復。智能響應型水凝膠不僅可以作為結構支撐或運載工具，還可以作為功能調節劑。本文綜述了4種常見的響應型水凝膠，并對其原理、用途和不足進行了總結（表1）。根據不同智能響應型水凝膠對不同刺激的敏感性和響應機制，應用相應刺激來控制藥物或生物活性分子在局部靶向傳播，可有效提高治療效果、降低不良反應。智能響應型水凝膠在藥物遞送和組織工程領域受到了廣泛關注，與靜態水凝膠支架相比，其功能更加強大，能夠實現動態響應和細胞兼容，從而實現按需控制細胞微環境。
表1
4種常見智能響應型水凝膠的總結
Table1.
Summary of four common intelligent responsive hydrogels
組織工程在軟骨再生方面具有廣闊應用前景，然而智能響應型水凝膠在應用中也存在諸多局限性。與天然軟骨相比，其力學強度可能不足，特別是在關節進行反復同一動作下或在瞬間壓力增大時，可能出現變形、破裂等問題；降解速度與軟骨修復的進程不匹配，同樣影響修復效果，若降解過快，軟骨修復尚未完成，達不到治療目的。盡管智能響應型水凝膠具有較好的生物相容性，但仍為異物，若降解速度過慢，有繼發免疫排斥反應或慢性炎癥可能，且作為游離體會影響關節活動；將智能響應型水凝膠注射至損傷部位后，由于光照強度和時間、溫度、pH值以及酶的穩定性都會影響水凝膠的作用，并影響修復效果。
隨著研究的不斷深入，越來越多的動物實驗和初步臨床研究對智能響應型水凝膠在體內長期的修復效果、安全性等進行了更全面的評估和驗證。可將溫度、pH值、光、酶、磁、電等多種刺激響應因素結合起來，研究出具有多功能化的雙敏型或多敏型響應材料；開發具有更寬響應范圍、更快響應速度和更好生物相容性的新型水凝膠材料，實現更精確的控釋作用和充分發揮生物性能；開發用于實時監測和生物傳感器的新型材料；研究更簡單、高效的水凝膠制備方法和更精確的表征技術；研制出獨立包裝、可直接應用于臨床的成熟智能響應型水凝膠產品，使智能響應型水凝膠在軟骨損傷修復中發揮更大作用，最大程度接近天然軟骨的性能，使其成為關節軟骨損傷的理想修復材料，并獲得廣泛應用。
利益沖突 在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突；經費支持沒有影響文章觀點和報道
作者貢獻聲明 徐青雨：綜述構思及設計、文章撰寫；畢書浩、楊智翔：資料收集；張保健、李紅日、劉成日：對文章提出修改意見并補充觀點；劉彥群：審閱文章并對學術內容進行指導修改
