Theranostics｜组织再生的高度定向水凝胶！修复、保存或增强组织功能的新转化疗法

组织工程（TE）这一跨学科领域自1993年诞生以来，便致力于融合生命科学与工程原理，旨在创造生物替代品乃至完整组织器官，以服务基础研究及修复、维护、增强生理功能的临床转化治疗。

为了实现这一目标，仿生支架的设计采用了各种策略，为细胞提供生化和/或生物物理线索，复制体内细胞生存环境，旨在调节细胞行为，促进组织修复和再生的增殖和分化。因此，模拟自然组织或器官的结构和物理化学性质在TE中是至关重要的。

水凝胶，是一种含有水的交联聚合物网络，由于其生物相容性、易于功能化以及能够模拟体内各种结构的化学和生物物理特性，已成为生物医学TE应用的有前途的候选者。

然而，传统水凝胶较差的机械性能和脆性阻碍了它们的广泛应用，在过去的几十年里，研究人员探索和开发了许多方法来解决这些限制。

双网水凝胶、纳米复合水凝胶、动态交联水凝胶、聚两性聚合物水凝胶等新型设计纷纷涌现，显著提升了水凝胶的力学性能。然而，随着TE研究的深入，这些改良显然不足以完美复制自然组织；对自然组织与器官结构的高度模仿，成为了仿生学追求的又一关键要素。

图片来源：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38505623/

近日，来自郑州大学第一附属医院的研究者们在Theranostics杂志上发表了题为“Highly oriented hydrogels for tissue regeneration: design strategies, cellular mechanisms, and biomedical applications”的综述性文章，全面梳理了高度定向水凝胶在组织再生领域的设计策略、细胞机制及生物医学应用。

许多人体组织表现出高度定向的结构，赋予它们独特的机械特性，使其能够适应多样化和具有挑战性的环境。水凝胶以其富含水分的“柔软湿润”结构，成为组织工程中修复和替换受损组织和器官的理想仿生材料。

人体中高度定向的组织和器官

图片来源：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38505623/

高取向水凝胶可以模拟人体组织的结构取向，表现出传统水凝胶所没有的独特生理功能和特性。高取向水凝胶的设计和制备涉及到包括高取向纳米填料、聚合物链网络、空隙通道和微加工结构在内的水凝胶策略。

尽管高取向水凝胶在角膜、皮肤、骨骼肌、肌腱、韧带、软骨、骨骼、血管、心脏等高度定向组织修复中的潜力已被广泛认知，但对其影响细胞行为的具体机制及其在这些领域的生物医学应用仍有待深入探索与推广。因此，本文系统回顾了高取向水凝胶的设计思路及其在组织工程中的应用实例，并详细解析了其在各类组织与器官中的具体应用，以及高度定向结构如何影响细胞行为。

高取向水凝胶的分类

图片来源：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38505623/

高度定向结构对组织与器官各项功能的发挥至关重要。科研人员正积极研发高度定向水凝胶，力求在不同程度上模拟天然组织与器官特性，如排列结构、各向异性力学性能、导电性等，以期在组织修复、再生乃至潜在替代中发挥关键作用，特别是在应对复杂组织疾病与损伤挑战时。

尤为重要的是，即使在相同材料体系的仿生TE中，高度定向结构相较于随机定向结构也展现出对细胞行为（如粘附、迁移、增殖、分化）的更优调控能力，以及为细胞提供更为逼真的体内三维微环境。

生物制造技术的飞速进步为TE与再生医学领域带来了无限可能。本文全面回顾了高取向结构水凝胶在TE领域的应用现状，并对其在不同TE领域的潜力及其对细胞行为的影响进行了深入剖析。尽管高定向水凝胶在TE领域的应用前景广阔，科学家们仍需面对并克服一些技术挑战，以期在未来实现其在临床应用中的更大突破。

参考文献：

Jiuping Wu et al. Highly oriented hydrogels for tissue regeneration: design strategies, cellular mechanisms, and biomedical applications. Theranostics. 2024 Feb 24;14(5):1982-2035. doi: 10.7150/thno.89493.