陳 渭，孫 哲

(1.青海師范大學 化學化工學院，青海 西寧 810016；2.青海湟川中學，青海 西寧 810000)

1 引言

水凝膠是一種能夠在水中溶脹并保持大量水分的具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子材料[1]，主要是通過化學鍵或物理作用形成多孔結(jié)構(gòu)，使其在水中不會溶解，并因分子鏈段含有大量羥基、羧基、磺酸基、酰胺基等親水基團而大量吸水保持了柔軟的物理特性[2-4].

通常，由于材料來源的不同，制備的水凝膠的性質(zhì)也各有迥異.以乙烯醇、丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯酸羥乙酯等材料制備的合成高分子水凝膠，其結(jié)構(gòu)和性能可控，具有較高的力學性能，但生物相容性和降解性差且生物毒性高，因缺乏生物學功能，其應用范圍受到一定的限制；由淀粉、殼聚糖、蛋白質(zhì)、瓊脂、纖維素等天然高分子制備的水凝膠具有生物降解性好、潛在毒性低、生物相容性好等特點，被廣泛應用于生物醫(yī)學、組織工程、食品農(nóng)業(yè)等多個領域[5-9].

目前，具有優(yōu)異機械性能的生物質(zhì)基水凝膠材料被廣泛研究.明膠作為一種天然高分子，在生物醫(yī)學、組織工程、食品、化學工業(yè)等領域作為一種聚合物材料具有廣泛的研究和應用，其良好的生物相容性、生物降解性、細胞粘附和增殖、無毒、無免疫原性和價格低廉等特點，尤其在生物醫(yī)學和組織工程領域具有極大的潛在應用[10-11].然而，明膠在干態(tài)下機械性能差，柔性弱、易脆裂且降解速度過快，若直接將其作為功能材料進行應用還存在諸多缺點[12].

因此，多種方法用于提高明膠水凝膠的強度和韌性，包括雙網(wǎng)絡水凝膠、聚合物穿插網(wǎng)絡水凝膠、滑環(huán)水凝膠、點擊水凝膠、超分子水凝膠和納米復合水凝膠制備技術(shù)[13-15].通過添加交聯(lián)劑，形成共價鍵交聯(lián)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的化學交聯(lián)在一定范圍是最簡單有效調(diào)節(jié)明膠物理機械性能的方法.常用的交聯(lián)劑有甲醛、戊二醛、聚環(huán)氧化合物、京尼平、轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶等，這些交聯(lián)劑可以增強水凝膠的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和物理性能，但是這些交聯(lián)劑仍然存在著如毒性高、生物相容性低、機械性能不理想、色澤重、價格昂貴等缺點[16-20].

近些年，一些含醛基的多糖類衍生物被廣泛作為交聯(lián)劑應用，如海藻酸醛、醛基纖維素、糖苷醛、醛基羧甲基纖維素、氧化黃原膠等[21-23]，主要是利用醛基與明膠的氨基發(fā)生席夫堿反應，從而用于制備具有互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)或雙網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的明膠基水凝膠.一方面可有效提高明膠水凝膠的機械柔韌性和強度，另一方面還能繼續(xù)保持明膠材料生物學性能優(yōu)異的特點，同時還能賦予材料抗菌、保水、環(huán)境響應等性能，在許多領域展現(xiàn)出優(yōu)異的性能.本文主要綜述明膠基水凝膠作為傷口愈合敷料、藥物遞送、生物活性支架、骨組織修復與再生和3D生物打印方面的研究進展，以期對明膠基水凝膠在生物醫(yī)學領域的進一步研究和發(fā)展具有一定的指導意義.

2 傷口愈合敷料

皮膚是人體和動物的第一大器官，也是重要的保護屏障，因人體的皮膚沒有毛發(fā)的保護而裸露于外界環(huán)境，在活動和生長的過程中，常因刺傷、刮破或者手術(shù)的原因而受到傷害需要愈合[24].傷口敷料對于傷口治療有重要的作用，不僅能夠保護傷口免受外部傷害，而且能促進傷口處細胞的增殖.理想的傷口敷料應該能夠有效提供潤濕的環(huán)境，吸收傷口滲出液，增強表皮細胞增殖，促進血管生成，保護免受細菌感染，移除時不會造成二次傷害，并具有細胞粘附性好、可生物降解、價格低廉等特點.

傳統(tǒng)的紗布、繃帶等敷料，價格低廉也能起到一定的保護作用，但是這些材料沒有生物活性，會將傷口滲出液吸干并粘附在傷口表面，更換時還會對傷口造成再次傷害[25].因此，制備具有生物活性的水凝膠材料在保護、促進傷口愈合等方面具有優(yōu)異性能[26-28].

明膠具有膠原蛋白序列，其中的氨基酸序列RGD(arginine/glycine/aspartic acid)可促進細胞粘附，有利于細胞生長[29].然而，明膠因分子量較大，可與水分子形成氫鍵，其吸水性較強，易使創(chuàng)傷組織脫水，過多的液體吸收會導致傷口脫水，使得愈合減速[30].作為傷口敷料的水凝膠應以最佳的速率調(diào)節(jié)傷口失水，材料的溶脹性決定了營養(yǎng)物質(zhì)的擴散率和傷口滲出物的積累，是將其作為創(chuàng)傷敷料的重要指標[31].以明膠作為水凝膠基質(zhì)材料，一方面保持了明膠與創(chuàng)傷組織良好的粘附作用以及降解性，同時使得材料的吸水性相對溫和，保證了創(chuàng)傷組織的濕潤性；另一方面通過引入其他材料，可以賦予水凝膠較強機械強度、抗菌、藥物遞送、優(yōu)化細胞再生等性能.

以具有功能特性的材料為交聯(lián)劑制備傷口敷料是目前的研究熱點，天然類產(chǎn)物結(jié)合明膠制備的水凝膠材料將會是以后傷口敷料的發(fā)展方向之一，目前已取得許多研究成果.沒食子酸作為一種抗氧化、抗菌、消炎、抗癌變的天然產(chǎn)物，廣泛存在于堅果、葡萄、石榴、蜂蜜、綠茶等[32].Thi等[33]將接枝沒食子酸的明膠嵌入明膠-羥苯基丙酸聚合物水凝膠而制備了一種具有增強消除自由基的可注射水凝膠，通過體外氧化誘導微環(huán)境模擬，可以有效降低細胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生，同時還表現(xiàn)出超預期的愈合特性.過表達活性氧是許多疾病的發(fā)病原，發(fā)展能夠控制活性氧產(chǎn)生不良反應的材料具有重要意義.

一些天然高分子材料如殼聚糖、黃原膠、海藻酸和半合成或全合成的PCL、PLGA、PVA可直接或間接參與到傷口愈合，移除壞死組織或充當抗菌素增強組織再生.Shamloo等[34]利用明膠能夠有效提高材料的生物相容性，研究制備了一種可作為藥物遞送的包覆PCL微球的PVA/殼聚糖/明膠新型復合水凝膠(如圖1所示)，用于促進傷口愈合并實現(xiàn)持續(xù)釋放纖維細胞生長因子.通過MTT實驗，該復合水凝膠無細胞毒性，增加殼聚糖的量能夠增強水凝膠的抗菌性，活體實驗表明該材料能夠從PCL微球持續(xù)釋放纖維細胞生長因子從而促進傷口愈合，尤其是愈合初期.

普魯蘭多糖是從多肽真菌普魯蘭中獲取的一種天然線型多糖，已證實普魯蘭多糖具有無毒、無免疫原性、可生物降解等特點，在靶向藥物、基因成像、組織工程等生物應用領域是一種理想的生物材料[35-36].Zhang等[37]主要是利用普魯蘭多糖醛的特點和優(yōu)越性作為大分子交聯(lián)劑來提高明膠水凝膠性能的研究，以期得到可用于生物醫(yī)學領域的具有高機械性能的明膠水凝膠.首先是在酸性條件下用高碘酸鈉氧化普魯蘭多糖得到普魯蘭多糖醛，然后利用醛基與明膠的氨基發(fā)生反應，通過物理和化學作用對明膠進行交聯(lián)，得到抗壓應力是純明膠水凝膠152倍的高機械性能的明膠基水凝膠(如圖2所示).另外，通過調(diào)節(jié)普魯蘭多糖醛的濃度可以調(diào)整該水凝膠在生理條件下的膨脹性和降解性，通過細胞毒性實驗證實該水凝膠對MC3T3無毒性.研究證明普魯蘭多糖醛是一種有效的明膠基水凝膠交聯(lián)劑，并且是一種新型的生物水凝膠.

Gou等[38]通過將明膠和氨基化納米銀顆粒接枝到羧基化纖維素納米纖維表面，制備了一種具有豐富孔隙結(jié)構(gòu)的銀-明膠-纖維素的三元可注射明膠敷料，而納米銀具有低毒性及良好的抗菌活性，在生物醫(yī)學領域被認為是一種非常有可能的替代材料，將該水凝膠應用于嬰兒傷口治療，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌性能.Carvalho等[39]利用光交聯(lián)劑將明膠和甲基丙烯酸酯功能化的殼聚糖在紫外光的照射下進行交聯(lián)，得到一種具有生物相容性的新型雜化水凝膠，凍干后研究了其吸水性、降解性等.結(jié)果表明通過改變聚合物的濃度和紫外光照射時間，該材料的膨脹度可達到500%-2000%，而交聯(lián)劑的含量的增加又會降低其降解性，培養(yǎng)HEK293T細胞后細胞活力可達到95%以上，顯示出良好的生物相容性，表明該材料適合作為傷口敷料和在皮膚修復領域的應用.

水凝膠敷料材料中明膠的參與能夠大幅提高材料的親水性和細胞粘附性，為傷口愈合提供優(yōu)良的潤濕環(huán)境，而傷口敷料的發(fā)展更傾向于功能化、特異化，針對不同的皮膚組織、不同性狀的皮膚構(gòu)造，需要具有獨特物性、特殊智能響應的功能材料來更適宜地促進細胞生長、傷口愈合.

3 藥物遞送

藥物遞送系統(tǒng)是治療藥劑控制釋放和遞送的新型技術(shù)，藥物進入體內(nèi)后要經(jīng)過吸收、分配、代謝才能發(fā)揮藥理作用，藥物的藥效依賴于有效的控制傳輸.水凝膠因其特殊的物理、化學性能和結(jié)構(gòu)特性可以負載藥物并控制釋放，在藥物遞送方面有重要的應用.

維生素B1具有維持人體正常代謝的功能，但人體無法自主合成，需要從外界攝入.維生素的缺乏會導致認知喪失、記憶力減退等[40-41].Kaur等[42]制備了包載維生素B1的明膠—殼聚糖雙網(wǎng)絡聚合物水凝膠，相比較于僅用殼聚糖包載維生素B1來講，該水凝膠具有更可控釋放的性能，且更具生物降解性.肝素具有抗凝血、抗血栓、抗炎癥、調(diào)節(jié)生長因子、抗腫瘤、抗病毒等生物特性，肝素的這些優(yōu)點已在生物新材料和新技術(shù)方面取得了許多研究，但是用量過大則會發(fā)生自發(fā)性出血癥狀，肝素的控制釋放仍是一個挑戰(zhàn)[43].Gritsch等[44]利用化學交聯(lián)制備明膠水凝膠，并將其作為藥物遞送系統(tǒng)以實現(xiàn)肝素隨時間推移的控制釋放，結(jié)果表明其釋放周期可以達到60h，做到了長時間的有效控制.在抗腫瘤藥物領域，具有響應性的智能水凝膠可以在靶向位點釋放藥物，被用于藥物遞送.Ullah等[45]通過自由基聚合將丙烯酸和亞甲基雙丙烯酰胺作為交聯(lián)劑與明膠進行化學交聯(lián)，以得到具有高度pH響應的明膠基水凝膠，通過對其結(jié)構(gòu)、形貌、熱力學性能、藥物釋放等性能進行研究，基于其良好的生物相容性和耐受性，可作為遞送抗癌藥物的載體.Song等[46]人為了提高眼睛用藥藥效和藥物滯留時間，制備了具有熱敏性的殼聚糖-明膠水凝膠，之后用β-甘油磷酸鹽和京尼平進行共交聯(lián)制備了在37℃快速凝膠的水凝膠材料(如圖3所示)，通過對該水凝膠的性狀進行評估以后，將其負載噻嗎洛爾用于緩解眼內(nèi)壓的應用研究，結(jié)果表明該材料能夠增強治療效果、降低副反應.Rocha-Garcia[47]將多孔的二氧化硅微球作為骨架，通過熱氧化或戊二醛進行物理或化學交聯(lián)明膠和二氧化硅微球，制備了一類新型的水凝膠復合物，并將其作為一種藥物遞送的載體研究了其力學性能、動力學性能、細胞毒性等各項性能.Cheng等[48]將制備的熱響應殼聚糖-明膠基水凝膠，用于負載姜黃素和拉坦前列素進行雙藥物遞送，并用培養(yǎng)的人體細胞評估了其療效.

圖3 β-甘油磷酸鹽和京尼平進行共交聯(lián)殼聚糖-明膠水凝膠[46]

另外，水凝膠作為生物支架用于細胞封裝已有近30年，其類組織的機械性能、優(yōu)良的生物相容性、生物降解性和可注射性在近些年引起了大量的關注，可注射水凝膠被作為細胞三維培養(yǎng)模型，為細胞粘附和生長提供良好的微環(huán)境并能避免營養(yǎng)物質(zhì)的流失，可以增加在目標組織的細胞保存率[49].Xue等[50]制備了一種明膠-聚苯胺水凝膠作為骨髓基質(zhì)干細胞(BMSCs)的新型載體，注射到有帕金森氏病(PD)小鼠的黑質(zhì)致密部區(qū)域進行研究.因PD是一種長期的神經(jīng)退行性疾病，BMSCs具有多功能性，有望能夠有效治療該類疾病[51-52].結(jié)果顯示負載于水凝膠的BMSCs比單獨注射到PD小鼠具有更持續(xù)的防護效果，將該水凝膠作為遞送BMSCs的載體具有很大的潛力.

對于不同的組織器官來講，其微環(huán)境均有差異，對于同一組織遞送的不同藥物的性質(zhì)也有差異，將明膠基水凝膠作為藥物遞送載體需將組織微環(huán)境和藥物性質(zhì)作為水凝膠材料設計的前提，由此制備的水凝膠材料才能更有利于藥物遞送，才能更好地發(fā)揮藥物療效.

4 生物活性支架

生物工程的快速發(fā)展在人體組織器官移植、再生等方面有許多成功應用的技術(shù)，生物活性支架的不斷研究為目前恢復人體器官的損傷、缺失等產(chǎn)生了重要的影響.具有3D結(jié)構(gòu)的生物活性支架可以提供必要的結(jié)構(gòu)支撐，與固有的胞外基質(zhì)緊密匹配，對于調(diào)節(jié)細胞行為有動力學交互作用，同時能夠?qū)蛐陆M織和器官的形成[53-54].具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的水凝膠材料內(nèi)部含有大量水分，水凝膠與胞外基質(zhì)高度相似的結(jié)構(gòu)和組成，有利于細胞的生存和繁殖，對于組織工程來講是一種非常合適的生物材料.目前，已經(jīng)有很多類型的生物材料被成功用作活性支架，明膠因其優(yōu)異的生物降解性和相容性，制備的水凝膠衍生物被廣泛應用于肝臟、軟骨、心肌、皮膚、血管、牙齒等組織器官[55-59].

Kim等[60]利用靜電紡絲和光聚合技術(shù)將角蛋白/殼聚糖納米纖維和明膠甲基丙烯酸酯水凝膠組合為雙層復合支架，并評估了將其作為皮膚支架的可行性，通過將人體纖維原細胞封裝進水凝膠層，將HaCaT細胞培養(yǎng)在納米纖維層，經(jīng)過10天的培養(yǎng)均形成了細胞層，仿制出了皮膚的真皮層和表皮層(如圖4所示).純明膠水凝膠因較差的熱穩(wěn)定性和機械性能在實際應用中非常受限，Kim等[61]還以琥珀酰聚糖二醛(SGDA)作為交聯(lián)劑對明膠水凝膠進行化學和物理交聯(lián)以提高其性能，制備的SGDA增強型明膠水凝膠的抗壓應力可以提高11倍，儲能模量可以提高1040%，并且熱穩(wěn)定性也得到了明顯提高，基于水凝膠性能的提升可以將其作為活性支架用于組織工程.Daniele等[62]以聚乙二醇為骨架聚合明膠和甲基丙烯酰胺制備了一種具有較強機械性能的互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的半合成水凝膠，通過調(diào)節(jié)大分子單體的濃度可以控制材料的機械性能和溶脹性，該類材料可以作為支架用于內(nèi)部細胞封裝和表面細胞粘附.利用組織工程制備的軟骨來進行軟骨移植是治療軟骨缺失非常具有前景的方法，Song等[63]將殼聚糖/明膠雜化水凝膠作為軟骨仿生支架來制備仿生軟骨并與傳統(tǒng)的靜置培養(yǎng)做了比較，通過研究該水凝膠的物理性能和長時間培養(yǎng)脂肪干細胞，該材料孔隙均勻豐富，溶脹性和彈性良好，生物降解性優(yōu)異，能夠誘導促進細胞生長增殖，是一種體外構(gòu)架軟骨組織的優(yōu)良材料.Pok等以[64]聚己內(nèi)酯為核來實現(xiàn)可手術(shù)操作、可縫合和高初始拉伸強度，以具有一定機械性能的多孔明膠-殼聚糖水凝膠為支架提高細胞粘附性，將聚己內(nèi)酯以自組裝方式填充于水凝膠之間，可作為先天性心臟病缺失的填充材料.

圖4 培養(yǎng)10天后雙層支架的熒光圖片[60]

另外，生物活性支架在向組織重建、修復部位遞送生長因子、藥物等方面具有重要作用，因此會被設計成對溫度、pH、離子、氧化還原等不同微環(huán)境具有響應性的能夠產(chǎn)生自修復、控制釋放、形狀記憶等智能性狀的生物材料[65-66].

作為支架的關鍵特性在于材料能夠與血液、組織液、免疫細胞等以及一些組織器官相互共存，以避免產(chǎn)生排斥反應.優(yōu)良的支架可以避免器官移植的等待時間，還能降低移植的排斥反應和手術(shù)的高風險，選擇具有良好生物相容性的材料來設計研究生物活性支架是一種切實可行的方法.明膠基水凝膠被用作生物活性支架的研究重點在于大幅降低材料的生物降解性，支架材料的壽命一般較長，在實現(xiàn)降解代謝的同時還要保證材料的實際使用時間，以確保新組織或器官的生成，避免二次手術(shù).

5 骨組織修復與再生

由創(chuàng)傷或者疾病引起的骨缺損是一種常見又具有挑戰(zhàn)性的臨床醫(yī)學問題，大于臨界尺寸的骨缺損只會留下疤痕而不能再生，通過骨替代物可以填補骨組織因缺損造成的空隙，人工移植能夠促進骨組織的再生，克服自身骨移植供體有限、移植感染和免疫排斥等缺點[67-68].將聚合物、陶瓷以及其復合材料作為替代物用于填補骨缺損，并把骨傳導材料與骨誘導成分相結(jié)合來增強成骨性能將是一種更有效的生物材料系統(tǒng).

膠原是骨組織的一種重要成分，而明膠作為膠原纖維的水解產(chǎn)物是骨替代物理想的選材之一，其具有優(yōu)良的細胞粘附性、生物降解性、降解物無毒性、無免疫原性等優(yōu)點[69-70]，然而其快速的降解速度將使其在體內(nèi)短時間被代謝清除，若將明膠與降解緩慢的其他材料相結(jié)合則會有更好的應用.纖維素、殼聚糖、乙烯基化合物、透明質(zhì)酸等通常被用于交聯(lián)明膠以產(chǎn)生較強的機械性能、較低的降解速率，以及包載一定的功能藥物來促骨組織增生，具有很好的應用[71-74].

Sukul等[71]利用凍干法制備了明膠-纖維素納米纖維-β磷酸三鈣水凝膠支架，通過負載具有骨誘導作用的辛伐他丁以增強骨再生.在長達30天的過程中，辛伐他丁始終以最初的濃度不斷從水凝膠支架中釋放，他們將該生物支架植入顱蓋骨缺損的小鼠體內(nèi)4-8周，通過CT和組織分析表明缺陷區(qū)域具有大范圍的骨增生形成.二氧化鈦納米微粒與羥基磷灰石晶體具有相似的排列量級，可以用于調(diào)節(jié)細胞粘附、擴散和分化，Guo等[75]將TiO2納米微粒負載于明膠/殼聚糖水凝膠基質(zhì)，以實現(xiàn)控制骨折部位的愈合和護理，細胞活力實驗表明該材料對造骨細胞沒有毒性，并且培養(yǎng)5天后細胞固定效果良好，與明膠/水凝膠相比，含有TiO2的水凝膠對細胞存活和擴散有增強作用.Ou等[76]創(chuàng)建了一種結(jié)合抗菌和免疫調(diào)節(jié)活性的增強骨再生體系(如圖5所示)，主要是構(gòu)建了以納米銀/埃洛石納米管/明膠甲基丙烯酸酯的雜化水凝膠，通過研究其在體內(nèi)外的骨免疫調(diào)節(jié)和抗菌性能，該材料對人體的牙周韌帶干細胞和巨噬細胞有良好的生物相容性，并且能夠調(diào)節(jié)巨噬細胞分泌的炎癥因子，增強牙周韌帶干細胞的成骨分化，是一種非常有潛力的成骨再生生物材料.Sarem等[77]用乙基賴氨酸二異氰酸酯交聯(lián)明膠制備了具有3D結(jié)構(gòu)的水凝膠支架，研究了支架力學性能和降解對人體軟骨細胞基質(zhì)沉積的影響，該研究闡明了直接環(huán)境(體內(nèi)與體外)如何顯著影響細胞負載生物材料的結(jié)果.Huang等[78]通過紫外交聯(lián)制備了甲基丙烯酰基明膠水凝膠(GelMA)，通過負載Kartogenin后用于肌腱撕裂的修復，與骨髓刺激技術(shù)相比，負載Kartogenin的GelMA水凝膠支架通過促進纖維軟骨的形成和增加機械性能從而改善了肌腱的愈合.

圖5 納米銀/埃洛石納米管/明膠甲基丙烯酸酯雜化水凝膠的制備、骨免疫調(diào)節(jié)和抗菌性能示意圖[76]

盡管在骨組織再生這方面的研究已經(jīng)取得了許多研究成果，然而能夠用于臨床應用的研究成果還較少，大量的工作停滯在體外細胞的培養(yǎng)和研究，因此還需大量的工作進一步研究材料在體內(nèi)組織的性能，以實現(xiàn)在臨床應用.

6 3D打印生物材料

對于不同的疾病選擇合適的方法來治療是非常重要的，目前已發(fā)展了大量新的藥劑和治療技術(shù).3D打印在醫(yī)學應用和細胞培養(yǎng)領域日漸備受歡迎，是計算機設計的逐層沉積結(jié)構(gòu)，可以通過控制多種生物材料的分布精確地控制大型復雜生物組分的制造，能夠很好的解決移植器官來源有限的問題[79].3D打印已經(jīng)用于生物打印來構(gòu)建負載有活細胞、生物材料、活性分子等的三維基質(zhì)，并保護封裝的復合物[80].在組織工程領域，水凝膠良好的生物相容性、高含水率以及能夠為細胞提供粘附、生長、增殖的微環(huán)境，是優(yōu)良的生物墨水材料[81-82].明膠、海藻酸、殼聚糖等材料因良好的生物性能而被廣泛用作三維生物打印的生物墨水材料，目前已有許多關于明膠水凝膠生物墨水的研究[83-85].

Alonso等[86]設計了一種聚乙烯醇明膠水凝膠，并用Ag、TiO2、Na2Ti6O13和磷酸三鈣賦予水凝膠生物活性、抗菌性等性能，將該材料作為3D生物打印材料研究了其機械性能、溶脹性、微觀形態(tài)、細胞毒性等，是一種可適用擠壓的3D打印水凝膠.Kuo等[87]發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)明膠和海藻酸的組分濃度和聚合程度得到的雜化基質(zhì)可作為3D打印材料，他們通過調(diào)節(jié)明膠和海藻酸的比例(G/A為1∶2、1∶1和2∶1)以及材料的固含量(3%、5%和7%)，研究發(fā)現(xiàn)當雜化水凝膠固含量7%、G/A比為1∶2時具有最高的硬度和粘合性，該材料具有作為3D打印材料以封裝和傳遞酶、維生素、抗氧化劑等的潛能.Nosrati等通[88]過兩步法制備了可用于生物打印的具有三維結(jié)構(gòu)的氧化石墨烯/羥基磷灰石/明膠水凝膠支架，結(jié)構(gòu)表征表明羥基磷灰石和石墨烯/羥基磷灰石粉末的加入使得所制備的支架具有更小的孔隙和更高的尺寸精度，力學性能表明加入0.3 gr的羥基磷灰石能提高支架的力學性能，這項研究的結(jié)果可以促進這種復合材料在骨科方面有良好的應用.Ko等[89]制備了一種可以提高彈性模量的纖維增強型明膠-甲基丙烯酸酯水凝膠生物墨水，利用乳酸-乙醇酸共聚物納米纖維片段作為人造細胞外基質(zhì)來創(chuàng)建特定軟組織，通過細胞培養(yǎng)實驗，該可生物打印的水凝膠與對照組相比有明顯的細胞增殖.Giuseppe等[90]通過研究9種配方的海藻酸-明膠水凝膠材料的打印性和打印精度、壓縮行為和隨時間的變化以及在生物印刷構(gòu)建中封裝的間充質(zhì)干細胞的生存能力，結(jié)果表明在3D打印過程中該類材料有非常優(yōu)異的性能特征.由于軟骨是人體中為數(shù)不多的不帶血管的組織之一，機體修復軟骨缺損的能力非常有限.Schwarz等[91]以海藻酸二醛(ADA)和明膠(GEL)為材料，制備了用于軟骨組織工程三維打印的氧化海藻酸-明膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的水凝膠體系，酶交聯(lián)和離子交聯(lián)技術(shù)用于確保3D打印結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性，并在3D打印之前將人類的鼻中隔軟骨細胞嵌入水凝膠中，通過研究細胞活性、增殖、新陳代謝，證明該方法是一種有潛力的用于人軟骨細胞3D培養(yǎng)的組織工程方法.

3D生物打印技術(shù)已經(jīng)成為一種成熟的具有高靈活性和多功能性的精確細胞定位方法，該技術(shù)通過設計先進智能的生物墨水和合適的聚合技術(shù)，將細胞和活性藥物、生長因子等整合到支架中，可以重建精密復雜的人工組織，是組織再生不可缺少的一項技術(shù)，使再現(xiàn)人體組織的獨特特征和一體化制造過程成為可能[92-94].與傳統(tǒng)的添加劑制造技術(shù)相比，生物印刷過程受到細胞處理在材料和方法方面的限制，3D打印生物材料除了適用于3D打印機外，還要具備對生物組織的相容性、功能性和機械性等.因此，該研究領域的主要焦點是成功的制備相應具有特殊性能要求的生物墨水.

7 展望

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，性能優(yōu)良的生物材料已取得許多豐碩的研究，將明膠作為生物活性材料制備的水凝膠材料在生物醫(yī)學領域具有突出的生物學特性，是生物材料發(fā)展的重要方向.然而明膠材料本身的特點(包括優(yōu)點和缺點)，無法單獨滿足任何一種生物材料的性能特征，還需要根據(jù)具體的應用要求結(jié)合其他材料來進行改性.針對明膠基水凝膠在復雜的生物醫(yī)學和組織工程領域的應用現(xiàn)狀，還有更多的方向和領域需要努力開拓，具體提出以下幾點：

(1)通過醫(yī)學手段愈合受到一定創(chuàng)傷或缺失的不同部位的人體組織器官時，所選用的材料均具有一定的特殊性，針對不同性狀的具體組織應該設計適于該部位更具智能(溫度、pH、離子等特殊敏感或自修復、形狀記憶等)的明膠基水凝膠，以滿足生長因子、藥物、細胞等的定點、長期釋放或活力增殖，從而增加療效、促進創(chuàng)傷組織快速愈合；

(2)明膠作為生物水凝膠的原料之一，勢必要保證水凝膠材料對血液、器官、免疫細胞等的相容性，在提高材料機械性能、柔韌性等的同時，要考慮代謝時間、代謝產(chǎn)物對機體的影響，以免產(chǎn)生不良反應；

(3)在選用明膠交聯(lián)劑材料時，應盡可能應用生物相容性好、力學性能優(yōu)異、具有特殊功效等的生物材料，從而使明膠基水凝膠材料具有優(yōu)異生物特性的同時賦予其獨特的醫(yī)療、護理等性能；

(4)明膠基水凝膠作為生物材料在體外細胞培養(yǎng)的應用研究已有許多成果，但將其作為藥物或器官代替物的研究在臨床應用中的研究相對甚少，需要該類材料在生物體內(nèi)有更進一步更深入的研究，爭取將其優(yōu)良的生物學特性能夠?qū)嶋H應用，從而造福人類.