综述：脊髓损伤修复的水凝胶组织工程进展

《Smart Medicine》：Advances in Hydrogel Tissue Engineering for Spinal Cord Injury Repair

　　

脊髓损伤（SCI）作为脊柱骨折的严重并发症，常导致脊髓功能障碍并引发感觉与运动异常。当前临床治疗策略——包括药物治疗、减压手术及卧床休息——仍不足以实现完全功能恢复。为实现脊髓功能重建，亟需减轻早期炎症反应、重建神经元连接并减少胶质瘢痕形成。随着生物材料学科的发展，水凝胶组织工程已成为一种有效可行的治疗方法。可注射且具有高生物相容性的水凝胶可作为支架材料直接填充损伤部位，提供物理支撑以减少瘢痕形成并促进轴突生长；此外，水凝胶能够调控病理生理事件，例如减轻炎症反应、抑制胶质瘢痕形成及促进轴突生长，从而实现SCI后的运动功能恢复。本综述系统地将SCI的四个病理阶段与水凝胶的阶段特异性生物学功能相关联，总结了SCI与水凝胶基组织工程的研发现状，并讨论了这一新兴领域的关键挑战与未来方向。

1 引言

脊髓损伤（SCI）根据致病原因可分为创伤性和非创伤性两类。创伤性SCI的常见病因包括交通事故、坠落、运动损伤或暴力、枪伤等；非创伤性SCI的病因则主要为癌症、感染、缺血等。全球范围内SCI的患病率和发病率在过去30年中显著上升。由于SCI患者丧失自理能力，其护理费用构成了巨大的经济负担，人均终身医疗费用可能高达数百万美元，并产生巨大的社会成本。目前的临床治疗主要包括使用皮质类固醇和甘露醇以减轻脊髓炎症和水肿，以及椎板切开减压术以缓解局部组织压迫。然而，这些治疗手段对神经元再生及继发性损伤（如炎症反应、细胞凋亡、氧化应激）的影响有限，而这些因素在患者后续功能恢复中起着重要作用。同时，SCI手术的时机选择仍存在争议。

1.1 SCI的机制

SCI在病理生理学上可分为原发性损伤和继发性损伤。原发性损伤是指由高能事故（如交通事故、坠落等）冲击脊柱引起的一系列损伤表现，如短暂或持续性压迫、拉伸、撕裂、横断。继发性损伤则指由生化和细胞过程引起的进一步损害，如炎症、离子紊乱、凋亡和坏死。随着继发性损伤过程中的一系列级联反应对身体造成进一步伤害，损伤部位会形成阻碍神经再生的胶质瘢痕，最终导致机体功能障碍。总体而言，继发性损伤比原发性损伤更为复杂和严重。根据损伤时间，SCI可分为四个阶段：急性期（< 48 h）、亚急性期（48 h–14天）、中间期（14天–3个月）和慢性期（> 3个月）。各阶段的主要病理变化如下：

• •
  急性期（< 48 h）：高能事件导致局部骨折或错位，引起脊髓压迫或损伤；受损血管导致局部血肿形成，造成脊髓组织受压和缺血；受损血管的细胞通透性增加引发局部炎症反应；同时伴随离子失调、活性氧（ROS）引起的细胞损伤和脂质过氧化、钙调节失调以及累积谷氨酸引起的兴奋性毒性。
• •
  亚急性期（48 h–14天）：特征是巨噬细胞的免疫反应和星形胶质细胞的增殖。巨噬细胞浸润损伤部位并开始清除细胞碎片；星形胶质细胞增殖并形成胶质瘢痕，虽然能限制炎症细胞反应并保护局部组织，但也阻碍了轴突生长。急性期的部分反应在此阶段加剧，如自由基损伤、脂质过氧化和兴奋性毒性。
• •
  中间期（14天–3个月）：星形胶质细胞瘢痕持续成熟，轴突瘢痕开始萌芽。由于局部破坏性反应开始减弱，且胶质瘢痕作为屏障保护细胞免受失衡微环境的影响，SCI病情趋于稳定。
• •
  慢性期（> 3个月）：特征是囊性空洞形成、Wallerian变性（包含轴突变性和髓鞘变性）以及胶质瘢痕进一步成熟。此外，还发生离子通道和受体的变化、神经回路重塑以及脊髓空洞症。

1.2 SCI的当前临床治疗

目前常见的临床治疗包括：院前急救、药物治疗、手术、物理治疗、细胞移植和康复训练。

• •
  院前急救：SCI是一种需要立即医疗干预的紧急损伤。现场医护人员应首先评估患者的气道、呼吸、循环和脊柱状况。在到达医院前，需监测并确保患者呼吸道、呼吸和循环的稳定；除非处于危险环境，否则应避免移动伤者，转移时需至少三人使用平移和轴向旋转等方法；使用支架或脊柱固定板固定脊柱以防止二次损伤。
• •
  药物治疗：分为神经保护药物和神经再生药物。神经保护药物旨在减少损伤后的继发性损伤并保护神经细胞免受进一步损害，如甲基强的松龙（通过减少膜脂质过氧化发挥作用，但其使用存在争议，可能增加肺炎和高血糖风险）、利鲁唑（钠通道阻滞剂，可减少谷氨酸释放，具有神经保护作用但需进一步研究）和美环素（一种具有抗炎和抗氧化特性的抗生素，通过调节MAPK和PI3K/Akt信号通路发挥作用，III期临床试验正在进行中）。神经再生药物致力于促进受损神经的再生和功能恢复，如GM-1神经节苷脂（可在动物模型中促进轴突再生，但未在临床验证）、粒细胞集落刺激因子（G-CSF，通过JAK-STAT通路促进细胞生长）和4-氨基吡啶（4-AP，钾通道阻滞剂，可通过增强损伤区域信号传导促进神经恢复并减轻脱髓鞘，但需进一步临床试验）。
• •
  手术：关于手术时机存在争议，但手术仍是缓解局部急性压迫、减少并发症和改善神经功能的策略，目的大致概括为减压和固定，常用方法包括前路、后路及前后联合入路。
• •
  物理治疗：常见方法包括功能性电刺激疗法（对瘫痪肌肉或支配瘫痪肌肉的神经施加电刺激，有利于受损突触再生）和高压氧疗法（通过减少凋亡、氧化应激和脂质过氧化、减少炎症、减轻局部水肿、促进血管形成以及增强自噬来保护神经）。
• •
  细胞移植：通过移植特定细胞促进神经修复和功能恢复，如间充质干细胞（MSCs）、神经干/祖细胞（NS/PCs）、施万细胞（SCs）、嗅鞘细胞（OECs）、胚胎干细胞（ESCs）和诱导多能干细胞（iPSCs）。尽管临床治疗方法广泛应用，但最终效果仍有限，因此迫切需要新的可靠治疗策略。水凝胶组织工程的发展为SCI带来了新的治疗策略，许多研究者已成功开发负载治疗因子的水凝胶以减少继发性损伤并促进神经再生。

2 SCI用水凝胶

水凝胶是一类具有三维网络结构的材料，能够吸收并保持大量水分（可达或超过自身重量的90%）。由于其良好的生物相容性、可塑性和组织相似性，水凝胶在SCI领域得到广泛研究。它们可以模拟生物体中的细胞外基质（ECM）环境，并具有可调的机械性能，使其成为组织生物工程中的理想支架材料。

2.1 水凝胶的分类

根据来源，水凝胶可分为三类：天然水凝胶、合成水凝胶和复合水凝胶。

• •
  天然水凝胶：源自天然大分子，如多糖、多肽或动植物蛋白成分，常见的有壳聚糖、透明质酸（HA）、海藻酸盐、胶原等。其优点是生物降解性、低毒性和低成本，但稳定性和机械性能较差，且可能引发免疫反应或携带病原体。例如，壳聚糖是仅次于甲壳素的自然界第二大天然多糖，具有抗菌性，但机械强度低且降解速率难控；HA广泛存在于中枢神经系统中，具有强亲水性和保水性，但天然形式难以形成稳定凝胶且降解过快；海藻酸盐可快速交联形成三维网络结构，但缺乏细胞特异性粘附位点；胶原结构与组织原始基质高度相似，但存在潜在免疫原性和高纯化成本。
• •
  合成水凝胶：人工合成的水溶性高分子，通过化学或物理交联形成三维网络结构，常见的有聚乙二醇（PEG）、聚乙烯醇（PVA）、聚（甲基丙烯酸羟乙酯）（PHEMA）等。其优点是高度可定制和稳定性高，但通常需要化学修饰以获得生物活性，且残留的交联剂或引发剂可能引起细胞毒性。例如，PVA虽具优良生物相容性和力学性能，但表面细胞粘附性差且体内难降解；PEG缺乏细胞识别位点，但可通过修饰精确控制性能；PHEMA虽机械性能可控，但残留单体可能有毒且网络致密阻碍物质扩散。
• •
  复合水凝胶：旨在通过多维设计克服单一材料的局限性，整合多种响应机制以精确调控药物释放、抗菌活性和组织再生，并引入纳米材料动态调整ECM力学性能。其中，导电水凝胶因脊髓组织的电活动特性而备受关注，其核心价值在于不仅作为物理支架，还能模拟神经组织的电生理微环境。例如，通过MXene纳米片或碳纳米管（CNTs）赋予水凝胶导电性，可有效促进受损神经的修复。

3 SCI治疗中的功能性水凝胶

水凝胶在SCI修复中具有多种应用，主要通过提供类似脊髓组织的软性机械支撑、调节微环境以支持恢复、以及负载和释放损伤部位所需的细胞或药物来实现修复，使其成为再生医学中的潜在治疗策略。

3.1 提供物理支撑结构

SCI后神经元死亡、脱髓鞘和胶质瘢痕形成等病理变化使脊髓难以自我修复。尽管细胞移植（如NSCs）前景广阔，但面临移植后细胞存活率和滞留率低的挑战。水凝胶凭借独特的三维网络结构和含水量成为破局关键，一方面为损伤部位提供必要的机械支撑，维持损伤腔的结构完整性，防止进一步塌陷，为组织再生提供导向框架；另一方面作为优良的细胞载体，模拟ECM，为移植细胞的粘附、增殖和分化提供保护性微环境。例如，纳米纤维水凝胶复合材料（NHC）可为挫伤脊髓提供机械支持，促进再生巨噬细胞极化、血管生成、轴突生长和神经发生；同轴3D打印制备的线性分层结构水凝胶支架有助于内源性NSCs的迁移和神经元分化。此外，水凝胶包裹人胚胎干细胞来源的Neural stem cells（hESC-NS）可有效提高其存活率和分化能力。

3.2 调节局部微环境

水凝胶可通过多种方式调节SCI微环境，创造有利于神经再生的条件。例如，负载白细胞介素-4（IL-4）ZIF-8纳米粒子的透明质酸-胶原水凝胶（ZP–DHA–Col）可模拟天然ECM，通过响应酸性微环境释放IL-4，促进巨噬细胞向M2型极化并抑制炎症，同时其纳米取向和粘弹性增强了神经元分化、轴突再生、突触形成和髓鞘再生。压电纳米粒子负载线粒体（TPP-PDA@BTO）的ROS响应性水凝胶（BT-Gel）在超声触发下，可通过增强线粒体功能和免疫调节来调控微环境。

3.3 药物递送载体

由于血脊髓屏障（BSCB）的存在，系统给药后到达SCI部位的血药浓度往往不足。水凝胶破裂时BSCB的破坏虽允许更多物质进入，但混乱的病理环境（如水肿压力增加、局部血流减少）实际上阻碍了药物向神经元靶点的有效分布。因此，水凝胶作为药物载体可实现药物的控释并提高疗效。例如，负载川芎嗪（TMP）的导电水凝胶可保护BSCB和神经元，通过持续释放TMP抑制氧化应激反应，减少内皮细胞凋亡和紧密连接蛋白损伤；氧化葡聚糖和酰肼化透明质酸组成的水凝胶作为脑源性神经营养因子（BDNF）的递送系统，可促进NSCs向神经元分化并抑制星形胶质细胞分化；金属离子辅助自组装复合水凝胶用于局部递送米诺环素盐酸盐（MH），通过局部缓释有效减少继发性损伤并促进运动功能恢复，效果优于全身注射大剂量MH。

3.4 下一代智能水凝胶：4D打印和基因治疗系统

传统水凝胶的功能是预先确定且静态的，无法动态适应SCI复杂演变的病理生理过程。这推动了集成先进制造和基因工程的下一代智能水凝胶的发展，以实现时空控制和适应性治疗干预。四维（4D）打印代表了3D生物打印的演变，打印的结构被设计为随时间响应特定生理刺激而改变形状或功能。基因治疗可从分子水平调节特定基因表达，促进神经再生或抑制瘢痕形成。例如，在水凝胶中设计包括免疫刺激序列、特异性适配体（靶向识别细胞表面蛋白）和响应位点（如限制性内切酶位点）等功能单元，使单一水凝胶支架整合靶向、载药、刺激响应释放和免疫激活等多种功能。4D打印与基因治疗的融合有望创造出真正智能的水凝胶，自主感知损伤状态并根据SCI不同阶段执行多阶段修复程序。

4 水凝胶在SCI治疗中的生物学作用

近年来，用于修复SCI的水凝胶技术显示出巨大潜力。水凝胶对脊髓组织的分子生物学效应主要体现在局部微环境调节、细胞行为调节和神经再生支持三个方面。在SCI的各个阶段，水凝胶的治疗涵盖了从早期神经保护到晚期功能恢复的完整链条：急性期通过减少氧化应激、抑制炎症反应和细胞凋亡实现神经组织的即时保护；亚急性期及以后通过调节胶质细胞行为减少瘢痕形成，并为轴突再生提供物理支持和生化信号以促进神经再生；最终通过引导神经纤维定向生长和突触重塑支持神经回路的功能重构。水凝胶能够动态响应损伤微环境，实施多阶段综合修复策略。

4.1 急性期——减少氧化应激和炎症

SCI急性期和亚急性期的核心病理是氧化应激和炎症反应的爆发。水凝胶可通过清除ROS和抑制炎症有效调节此类损伤后的局部微环境，为神经修复创造良好条件。例如，可注射的ROS和MMP响应性水凝胶（CMV-RM）能根据SCI后的病理微环境按顺序释放药物：损伤早期响应高水平ROS释放CNT@MnO₂纳米药物；后期响应基质金属蛋白酶（MMP）的积累释放血管内皮生长因子（VEGF）。GL-MON@PDA水凝胶可直接靶向氧化应激和炎症，其PDA壳可快速清除ROS，而Mg²⁺的释放促进巨噬细胞向M2型极化，体内实验证实该水凝胶减少了凋亡和胶质瘢痕形成。

4.2 急性和亚急性期——抑制细胞凋亡

SCI后的凋亡可导致大量神经元和胶质细胞死亡，进一步加重神经功能障碍。凋亡的发生与P53-Caspase3通路、Fas/Caspase-8通路等多种信号通路的相互作用有关，氧化应激和炎症反应也通过激活p38/NLRP3等通路加剧神经元死亡。水凝胶在抑制细胞凋亡方面显示出潜力。例如，基于泊洛沙姆-407和188混合物组成的热敏水凝胶体系结合单唾液酸四己糖神经节苷脂（GM1），可通过延长GM1在损伤部位的释放时间抑制凋亡细胞死亡和胶质瘢痕形成，增强神经元再生和运动功能恢复。负载碱性成纤维细胞生长因子（aFGF）的热敏肝素泊洛沙姆（aFGF-HP）水凝胶通过持续释放aFGF保护其生物活性，减少神经元凋亡和反应性星形胶质增生，增强神经元和轴突的修复。

4.3 亚急性期和中间期——减少胶质瘢痕的形成

SCI亚急性期和中间期的主要挑战是抑制胶质瘢痕形成，这可能是轴突再生的障碍。胶质瘢痕由活化的星形胶质细胞和抑制性分子（如CSPG）组成，阻碍轴突再生。水凝胶通过以下机制减少胶质瘢痕形成：（1）物理填充损伤区域以减少空腔形成；（2）调节星形胶质细胞活化和CSPG成分，抑制抑制性微环境；（3）释放抗炎和营养因子以优化修复过程。例如，具有核壳结构的GelMA-AFN微球，外层释放ANXA1抗炎蛋白，内层持续释放NGF和纤连蛋白（FN），实现了阶段匹配的免疫调节和神经修复，其减少瘢痕的效果体现在早期抑制炎症（减少中性粒细胞浸润和M1巨噬细胞）和晚期调节瘢痕成分（如减少brevican表达）。

4.4 中间期——增强神经再生

SCI中间期的核心任务是促进轴突再生和髓鞘修复。水凝胶通过不同方式为促进神经再生提供有利条件。例如，负载NGF和Fe₃O₄纳米粒子的HA-Gel@NGF + Fe₃O₄水凝胶可响应透明质酸酶降解并在损伤部位释放神经营养因子，同时外部磁场刺激可改善微环境促进轴突再生。此外，引导再生轴突定向生长并连接到正确靶点仍是重大挑战，水凝胶提供了一种解决方案。例如，由具有纵向多管结构的HA水凝胶和负载BDNF和VEGF的PLGA微球组成的复合支架可促进大量新生血管和再生神经纤维的形成，并通过通道引导轴突生长；GM-RA4IV水凝胶携带层粘连蛋白衍生肽并具有内部平行微通道，整合了物理拓扑引导和生化信号以指导轴突再生，导致高度有序的平行生长。

4.5 慢性期——神经回路重建和功能恢复

SCI慢性期的核心挑战是神经回路重建和功能恢复。水凝胶通过提供物理引导和神经营养信号发挥作用。研究表明，纳米结构复合支架的移植可促进神经纤维再生，显著改善慢性SCI的运动功能。此外，水凝胶还可通过响应性药物输送系统提供持续的神经营养支持和抗炎作用，从而促进结构和功能的恢复。例如，温敏肝素泊洛沙姆水凝胶支持神经生长因子（GDNF）的作用，促进神经回路重塑和神经保护；无线压电水凝胶（WPC）在超声驱动下移植NSCs和人脐带间充质干细胞（hUCMSCs），通过调节免疫微环境和促进神经再生改善了SCI后的结构和功能恢复。