Abstract：Hydrogels are widely used in the fields of pharmacology and tissue engineering. In this article，
the hydrogels design methods based on chemical and physical crosslinking are reviewed. Chemically crosslinked hydrogels are formed by radical polymerization，chemical reaction of complementary groups， high energy irradiation and enzymatic reactions，and physically crosslinked hydrogels are formed by ionic interactions，crystallization，hydrogen bonds and hydrophobic interactions. Key words：hydrogels；tissue engineering；physical crosslinking；chemical crosslinking；cells
GONG Zheng1，DING Shanshan2，YIN Yuji1，CUI Yuanlu2，YAO Kangde1
(1 School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2 Center of Traditional Chinese Medicine，Tianjin University of Traditional Chinese Medicine，Tianjin 300193，China)
水凝胶是由亲水性聚合物链构造的具有三维交 联网络结构的高聚物和介质共同组成的多元体 系[1]，此网络因存在物理或化学交联结构而不溶于 水，使其在溶液或生物体中保持了完整性。充斥于 聚合物网络中的水分使交联的大分子链伸展，从而 整个材料具备了流体的性质。同时，由于人体组织 大多是由蛋白质和多糖网络组成的含有大量水的水 凝胶材料[2]，使得水凝胶材料在药物控释、软组织 支架构建及活性细胞包载等生物医用材料方面得到 了广泛的应用。自 1960 年 Wichterle 和 Lim 制备出 聚（甲基丙烯酸-2-羟基乙酯）水凝胶以来[3]，有关 高分子水凝胶的设计与合成研究十分活跃。近年来， 结构和性能各异的新型高分子水凝胶在组织工程中 的应用引起了人们极大的兴趣。
织工程中，用以克服传统治疗方法如，自体移植和 替代物植入所带来的二次损伤和痊愈困难等缺 点[8]。研究显示，在 37 ℃下将兔骨髓干细胞微囊 化后加入到 OPF 中，与载有β1-转化生长因子的 明胶微粒混合形成的水凝胶可有效保持微囊化兔 骨髓干细胞在培养期间的生物活性并分化形成软 骨细胞[9]。
一些天然多糖物质也可通过引发剂交联形成具 有独特作用的高聚物水凝胶。欧车前（Psyllium） 是一种具有药用价值的天然多糖，可通过凝胶化形 成新型药物释放系统。Singh 等[10]将 N,N′-亚甲基双 丙烯酸酰胺（N,N′-MBAAm）作为交联剂，以过硫 酸铵为引发剂引发欧车前与聚丙烯酰胺形成聚合网 络。这种 pH 敏感型水凝胶网络可对环境作出响应， 用于肠道的特定药物释放。
Leach 等[13]用紫外光交联制备了甲基丙烯酸缩 水甘油酯改性的透明质酸（glycidyl methacrylateHA，GMHA）衍生物水凝胶，研究表明此水凝胶 具有细胞相容性和生物可降解性，既能保持透明质 酸本身促进内皮细胞增殖的生物活性，又能在一定 程度上起到血纤维蛋白的作用。Blanchette 等[14]用 同样的方法制备了包载有争光霉素（bleomycin）的 聚 （ 甲 基 丙 烯 酸 - 接 枝 - 乙 二 醇 ） [poly(methacrylic acid-g-ethylene glycol)，P(MAA-g-EG)]凝胶微球，
Balakrishnan 等[19—20]制备了氧化海藻酸钠-明 胶共价交联水凝胶并评价了其生物相容性。这种可 注射水凝胶可以精确控制凝胶时间，无毒且可降解， 包载表皮生长因子后可促进伤口的愈合。
收稿日期：2008–02–05；修改稿日期：2008–05–14。 基金项目：国家自然科学基金资助项目（30670572）。 第一作者简介：宫政（1983—），男，硕士研究生。联系人：尹玉姬， 博士，副教授，主要从事生物材料和功能材料的研究。电话 022– 27401902；E–mail yinyuji@。
第 11 期
宫政等：组织工程用水凝胶制备方法研究进展
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这种凝胶微球对 pH 值敏感，具有选择释放性，能 增强与肠内上皮细胞的相互渗透性从而提高药物利 用率，是一种比较理想的口服药物载体材料。Yeo 等[15]深入研究了紫外光交联壳聚糖水凝胶在心肌梗 塞治疗中的应用。此凝胶体系由壳聚糖与丙烯酰-聚 乙二醇-RGD 多肽（Acr-PEG-RGD）组成，在预聚物 中加入血管内皮细胞生长因子（VEGF）和碱性成纤 维细胞生长因子（bFGF）并在低能量紫外光照射下 交联形成的水凝胶可促进生长因子的持续释放。 Pitarresi 等[16]在无光引发剂条件下将甲基丙烯酸-葡 聚糖（methacrylated dextran，DEX-MA）和甲基丙烯 酸-α, β-聚（N-2-羟乙基）-DL-天冬酰胺[methacrylatedα,β-poly(N-2-hydroxyethyl)-DL-aspartamide ， PHM] 光照共交联形成水凝胶。该水凝胶表现出耐胃肠液 水解的特性，可有效促进药物释放，延长释放时间， 达到治疗肠道炎症的目的。
但是值得注意的是，当采用光引发方式制备水 凝胶时，引发效率相对较低，对于较大缺损部位的 修复，很难做到结构均匀[1,17]。 1.3 结构互补基团之间反应产生的交联
一些生物相容性聚合物结构中通常含有—OH、 —COOH、—NH2 等基团，这些基团不仅使聚合物 有很好的水溶性，而且通过结构互补官能团之间发 生席夫碱、加成及缩合等化学反应，彼此之间形成 共价交联键，利用这一特性可设计和合成组织工程 用水凝胶。
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化工进展
2008 年第 27 卷
成主要靠次级键价力的作用如离子间相互作用、氢 键及结晶作用、疏水性相互作用等，而化学交联型 水凝胶通过共价键形成。本文将从这两个方面对组 织工程用水凝胶的设计与合成进展进行阐述。
经物理或 化学交联
高分子
图1
水分子
交联点 交联的高分子网络
水凝胶的化学交联及物理交联示意图[5]
型水凝胶的研究进展，对比了各种交联机制的优缺点，并对水凝胶在组织工程领域中的进一步应用进行了展望。
关键词：水凝胶；组织工程；物理交联；化学交联；细胞
中图分类号：Q 81；R 318.08
文献标识码：A
文章编号：1000–6613（2008）11–1743–07
Optimized design of hydrogels for tissue engineering
1 化学交联形成的水凝胶
化学交联型水凝胶是运用传统的合成聚合物的 方法或光聚合、辐射聚合等技术，引发共聚或缩聚 反应产生共价键而形成的共价交联网络。 1.1 自由基聚合反应产生的交联
自由基聚合反应交联是用于水凝胶设计与合成 比较常用的方法。常用的引发剂有热不稳定的过氧化 物体系和氧化还原体系。目前自由基聚合主要采用两 种途径：一是通过一种或多种低分子量的烯类单体在 交联剂的存在下直接进行聚合反应； 二是先使原本 不具有聚合反应活性的水溶性聚合物转变为含有可 聚合反应基团的衍生物，再进行交联共聚反应。
另外，通过 HEMA 与一些响应性单体共聚交联 可以得到基于该凝胶的环境敏感材料。Atta 等[7]以 三聚氰胺甲基丙烯酰胺及三聚氰胺丙烯酰胺作为交 联剂通过自由基聚合制备了具有 pH 值敏感性和热 敏感性的甲基丙烯酸-2-羟乙酯（HEMA）-N-乙烯基 吡咯烷酮水凝胶。
聚富马酸乙二醇酯（OPF）广泛应用于软骨组
使用醛类化合物特别是戊二醛交联含有羟基或 氨基的水溶性聚合物是设计和合成水凝胶比较常用 的方法，但戊二醛本身的毒性会影响细胞的生长。 因此 Draye 等[18]将葡聚糖部分氧化形成缩醛结构与 明胶交联发生席夫碱反应制备水凝胶。这种自交联 体系避免了小分子毒性交联剂的使用，水凝胶的后 处理简单且生物相容性良好，可用做烧伤敷料。
组织工程的概念由美国的 Langer 与 Va用细胞生物学和工
程学的原理和方法，研究和开发能修复和改善损伤 组织结构与功能的生物替代物的一门科学。
目前组织工程用水凝胶分为天然高分子水凝 胶、合成高分子水凝胶和天然与合成高分子复合水 凝胶三大类，既要求生物相容性又期望有细胞和分 子响应性，这是目前面临的最大挑战。为了得到所 需性能的水凝胶，其设计和合成应从物理性能、传 质性能和生物相互作用等多方面综合考虑。迄今为 止，水凝胶的设计与合成主要有物理交联和化学交 联两种途径，如图 1 所示，其性能也因原料、交联 密度和亲疏水性而各异[5]。物理交联型水凝胶的形
不同水溶性聚合物（包括天然的、半合成的和 合成的）可转变为带有可聚合反应基团的衍生物后 再交联形成水凝胶[11]。亲水性聚合物经过改性为可 聚合的衍生物再与适当的交联剂发生反应，通过调 节反应条件可获得所需力学性能的水凝胶。 Pourjavadi 等[12]以过硫酸铵为引发剂，以亚甲基二 丙烯酰胺为交联剂将甲基丙烯酰胺接枝到角叉菜胶 （Carrageenan）主链上并在碱性条件下形成新型的 强吸水性水凝胶，该水凝胶对 pH 值敏感且在碱性 条件下表现出较高的溶胀性能。 1.2 光引发聚合反应产生的交联
摘 要：高分子水凝胶作为一类重要的生物材料被广泛应用于生物医药和组织工程领域。本文综述了基于化学交联