人体骨组织中包含各种细胞、蛋白和细胞外基质，其中细胞外基质是由各种生物大分子相互交联而成的聚合网状结构。水凝胶指由聚合物或者胶体分子紧密交联从而形成的三维网状结构，是具有较高吸水能力、亲水性能的聚合材料，水凝胶的结构与细胞外基质高度相似而被广泛应用于生物医学领域。近年来，已经在诱导血管生成、软骨组织重建和人工合成骨材料移植等方面取得了重大进展。壳聚糖作为一种由甲壳素经过脱乙酰化生成的聚合物分子，是自然界中唯一存在的具有聚阳离子的弱碱性多糖。壳聚糖水凝胶材料在骨组织工程的应用中受到了广泛关注，因为它具有良好的抗菌性、生物相容性、生物降解性，并且能够作为小分子药物的载体，对目标区域起到缓释作用。在最近的研究中，通过引入其他分子或对天然壳聚糖改性从而构建温度响应、光响应和pH响应壳聚糖水凝胶。本文综述了骨组织工程应用中不同类型的壳聚糖水凝胶材料。

细胞外基质，水凝胶，壳聚糖，骨组织工程

Changshun Zhou

College of Life Sciences and Medicine, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou Zhejiang

Received: May 20^th, 2022; accepted: Jun. 16^th, 2022; published: Jun. 23^rd, 2022

Human bone tissue contains various cells, proteins and extracellular matrix, wherein the extracellular matrix is a polymeric network structure formed by cross-linking of various biological macromolecules. Hydrogel refers to a three-dimensional network structure formed by the close cross-linking of polymers or colloidal molecules. It is a polymeric material with high water absorption and hydrophilic properties. The structure of hydrogel is highly similar to the extracellular matrix and is widely used in the field of biomedicine. In recent years, significant progress has been made in the induction of angiogenesis, cartilage tissue reconstruction, and implantation of synthetic bone materials. Chitosan, as a polymer molecule produced by deacetylation of chitin, is the only weakly basic polysaccharide with polycation in nature. Chitosan hydrogel materials have received extensive attention in the application of bone tissue engineering because of their good antibacterial properties, biocompatibility, and biodegradability. It can be used as a carrier of small molecule drugs and has a slow release effect on the target area. In recent studies, temperature-responsive, light-responsive and pH-responsive chitosan hydrogels were constructed by introducing other molecules or modifying natural chitosan. This article reviews different types of chitosan hydrogel materials for bone tissue engineering applications.

Keywords:Extracellular Matrix, Hydrogel, Chitosan, Bone Tissue Engineering

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在人体中由各种骨来源细胞、蛋白和细胞外基质共同构成骨组织，具有支撑、运动并且保护器官，同时也能调节矿物质和血液pH值等功能 [ 1 ] [ 2 ]。其中骨来源细胞主要包括成骨细胞、骨细胞、破骨细胞以及骨原细胞，每种细胞在机体中所呈现的形态和所发挥的功能也不尽相同 [ 3 ] [ 4 ]。蛋白主要以胶原蛋白的形式存在，约占80%~90%，此外还有骨钙素、骨连接蛋白、骨桥蛋白和蛋白多糖等 [ 5 ]。骨组织可以分为松质骨和密质骨。松质骨约占全身总骨量的20%，与密质骨相比密度较低并且具有较好弹性，如颅骨、肋骨和脊柱骨等 [ 6 ]。在密质骨中除了约3%~5%的相互连接的管道以外，几乎是实心的，并且密度较高 [ 7 ]。

伴随着由创伤、感染和人口老龄化所造成的骨缺损在临床上时常发生，机体虽然面对小范围的骨缺损具有一定修复能力，但骨组织损伤修复过程缓慢 [ 8 ]。现如今，较大范围尤其是承重部位的骨缺损修复仍然是一个严峻的临床挑战。目前针对骨修复的治疗方法包括自体骨和同种异体骨移植在内的骨移植手术，往往存在机体免疫排斥、骨来源范围有限和难以获得机体所需要的合适形状移植物等缺陷，这些缺陷极大的限制了它们在骨缺损治疗中的应用 [ 9 ]。作为一种新型治疗方法，骨组织工程是通过利用细胞、促骨生长因子和生物材料的两种或三种组合来修复或替代发生缺损的骨组织 [ 10 ]。

水凝胶是一种具有特定空间结构的交联聚合物，在分子网络中具有高密度的亲水性基团，所以能够吸附大量的水分 [ 11 ]。水凝胶表面大多呈现疏松多孔结构并且与人体细胞外基质结构高度相似，在组织工程中，常常利用水凝胶的这一特性封装小分子药物，在机体中起到缓释的作用，防止局部药物浓度过高或过低，并且达到持续性释放的效果 [ 12 ]。除此以外，水凝胶还具有易于调整的物理、化学和生物特性，通过对聚合物进行调整而得到具有几种特定性质的水凝胶 [ 13 ]。对温度的变化而响应发生溶液–凝胶化转变的水凝胶被称为温敏水凝胶，通常将溶液状态的聚合物注射进入机体，其在体温下发生凝胶化反应 [ 14 ]。对光照具有响应性而发生凝胶化作用的称之为光响应水凝胶，常见的包括对紫外光和可见光等的响应。体系中由于pH值的变化而发生凝胶化反应被称为pH响应水凝胶。这些智能响应性凝胶具有广泛的应用前景，包括携带细胞、治疗性药物和生物活性分子，并且可以填充在任何不规则形状的骨缺损中 [ 15 ]。因此，迫切需要寻找合适的水凝胶材料，壳聚糖作为一种具有聚阳离子的多糖，在临床上已被证明具有抑菌性能，并且具有良好的生物相容性，制备壳聚糖水凝胶的关键过程是通过不同的化合物进行离子交联或共价交联，从而得到生物相容性和耐受性良好的水凝胶，基于壳聚糖的水凝胶材料已被广泛应用于骨组织工程领域中 [ 16 ]。

近年来，基于壳聚糖的水凝胶在骨组织工程中发挥着至关重要的作用。通过对天然壳聚糖改性或与其他物质共混而获得的复合水凝胶材料具有良好的骨传导和骨诱导性能，赋予壳聚糖水凝胶温度响应性、pH响应性以及光响应性，水凝胶本身的优异性质使其成为骨植入领域的一种极具影响力的候选材料。虽然已经提出了许多壳聚糖复合材料，但其力学性能较差的问题亟待解决。伴随着研究的不断进行，这些壳聚糖复合水凝胶将引发更广泛的兴趣，并可能进一步开发临床应用，以更好地治疗承重部位的大范围骨缺损。

周昌顺. 骨组织工程应用中基于壳聚糖水凝胶的研究进展 Research Progress of Chitosan-Based Hydrogels for Bone Tissue Engineering Applications[J]. 生物过程, 2022, 12(02): 124-130. https://doi.org/10.12677/BP.2022.122014