氣管損傷超過成人氣管總長度1/2或兒童氣管總長度的1/3時，氣管切除后因吻合口張力過大，端端吻合較為困難，需行氣管替代治療。隨著組織工程技術的興起，組織工程氣管替代物具有十分廣闊的應用前景。水凝膠高度含水，具有良好的三維網絡結構，且生物相容性好、免疫原性低、可生物降解和可修飾，在組織工程領域得到了廣泛應用。本文就近年來組織工程氣管中常用的各類水凝膠的特點、優缺點和效果等進行綜述，并對水凝膠在組織工程氣管領域的后續應用進行探討與展望。
外傷、炎癥、腫瘤和先天性疾病等會造成不同程度的氣管損傷，若引發氣管狹窄或氣管軟化則需手術切除病變氣管。當成人氣管切除長度大于1/2或兒童氣管切除長度大于1/3時，吻合口張力過大，端端吻合較為困難，需移植氣管替代物行氣管重建[1]。目前氣管重建方式主要有同種異體移植、自體組織移植和組織工程氣管移植。同種異體移植物供體稀缺和免疫排斥問題尚未解決，自體組織移植雖然沒有免疫排斥反應，但是幾十年來研究人員對各種自體組織進行了自體移植嘗試，如帶蒂肌瓣、心包組織、網膜組織等，發現單獨的組織移植達不到維持氣管管腔通暢的力學要求，對于最合適的自體移植組織類型仍沒有達成共識[2]。氣管組織工程是應用組織工程技術實現氣管的再生，理論上可以完美解決長段氣管損傷問題，主要由種子細胞、生長因子和支架三個要素組成[3]。水凝膠因其獨特的理化性質和生理特性，作為支架在組織工程氣管領域得到廣泛應用。本文就近年來常用于組織工程氣管領域的不同水凝膠的特點、優缺點和效果等進行綜述，并對未來水凝膠應用于組織工程氣管領域面臨的問題進行探討。
1 水凝膠概述
水凝膠是以水為分散介質的凝膠，由含水量高且高度多孔的親水性聚合物組成，結構類似于天然細胞外基質，具有良好的生物相容性、生物降解性和機械強度，其3D網絡不僅為細胞提供了良好的錨定位點，可以用來封裝細胞，還能產生相關的生物學信號，有效促進細胞增殖和分化[4]。水凝膠獨特的理化性質使其在生長因子、營養物質和藥物的傳遞中發揮重要作用，同時水凝膠可以在特定刺激如溫度、pH以及離子強度等條件下進行調整，以滿足生物醫學不同的需求[5]。支架在組織工程氣管中具有十分重要的作用，不僅要具備足夠的強度以維持通氣功能，同時還需要為種子細胞的生長提供微環境，從而促進移植物的軟骨化、血管化和上皮化。水凝膠構建的支架以其特有的優勢在組織工程氣管中具有不可忽視的作用。
2 水凝膠在組織工程氣管中的應用
2.1 膠原蛋白/明膠（collagen/gelatin）
膠原蛋白作為哺乳動物含量最高的蛋白質，廣泛存在于各種結締組織如骨、軟骨、肌腱、血管、皮膚、角膜等，是細胞外基質的主要成分，不僅為細胞生長提供機械支撐，并且在細胞發育過程中具有調節作用。膠原蛋白作為機體內源性物質，具有含量高、生物相容性好、易加工、易與其他材料結合、免疫原性低及在體內易吸收等性能[6]。但是其在體內降解速率過快并且力學性能較差，研究者常通過化學交聯[7]或者光交聯[8]方法來進行改性以提高其力學性質和穩定性。明膠是膠原蛋白的單鏈衍生物，是膠原蛋白適度水解和熱變性的產物，因此明膠的分子組成與膠原蛋白非常相似，但明膠在具有生物相容性、可降解性、低抗原性和低毒性的同時更容易獲得，經濟成本更低，因此明膠相較于膠原蛋白應用更為廣泛[9]。Xu等[10]將鄰-硝基芐基衍生物接枝到透明質酸上，再與明膠相結合，獲得的光交聯復合水凝膠具有良好的力學性能，作為兔耳廓軟骨細胞載體與脫細胞氣管基質結合后軟骨再生明顯。甲基丙烯酰化明膠（GelMA）是明膠與甲基丙烯酸酐直接反應合成的可進行光交聯的水凝膠，其優異的生物學性能及可調節的物理性能在組織工程氣管領域被廣泛應用[11]。Tao等[12]設計出一種由GelMA、β-乳球蛋白納米顆粒、葡聚糖和軟骨細胞組成的納米顆粒穩定型乳化生物墨水，用基于數字光處理的3D生物打印技術將其打印成具有多孔結構的仿生氣管，軟骨細胞的增殖和擴散在該支架中得到增強，裸鼠皮下移植顯示該支架可以實現軟骨再生，為3D打印組織工程氣管提供了新的材料。盡管目前膠原蛋白、明膠或其衍生物能滿足一定的組織工程需要，但制造具有適當物理和化學性質以及復雜3D結構的支架仍是重大挑戰，還需學者們進一步研究。
2.2 絲素蛋白（silk fibroin）
絲素蛋白來源于家蠶絲纖維，作為一種天然蛋白質生物聚合物，絲素蛋白具有良好且可被調節的機械性能、優異的生物相容性、低免疫原性及可控的體內降解速率。絲素蛋白溶液可以通過物理非共價交聯和化學共價交聯的方式成膠，也可以采用物理化學雙交聯、構建雙聚合網絡絲素蛋白水凝膠或與其他水凝膠混合等方式來獲得更高強度的水凝膠[13]。Li等[14]利用絲素蛋白和普魯蘭多糖（pullulan，PL），在辣根過氧化物酶和過氧化氫存在的生理條件下，成功開發出了一種酶交聯的生物相容性水凝膠，并可以通過改變PL的濃度來調節水凝膠的各種物理化學性能，兔骨髓間充質干細胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）封裝實驗展示了該水凝膠具有良好的細胞相容性。Liu等[15]利用絲素蛋白相對良好的機械性能，采用溶液鑄造法制備了絲素管和聚己內酯（polycaprolactone，PCL）環，經冷凍干燥后，用靜電紡絲技術將PCL環以3 mm的間隔固定在絲素管上，成功構建出了絲素-PCL復合仿生氣管支架，經體外實驗評價和體內血管化實驗證實了這種多孔生物可降解仿生支架在組織工程氣管領域應用的可行性。Nematollahi等[16]利用冷凍鑄造技術構建了用于氣管組織工程的戊二醛交聯的殼聚糖絲素蛋白支架，通過調整冷凍速率和戊二醛的濃度，篩選出具有與人氣管相似的力學性能和合適的生物降解性的支架進行體外軟骨細胞培養實驗，證實了這種無毒、具有抗拉強度和彈性模量的多孔結構支架能促進軟骨細胞增殖，可用于氣管再生。
2.3 藻酸鹽（alginate）
藻酸鹽是一種天然多糖，來源于褐藻、海帶和馬尾藻等藻類以及幾種細菌菌株。藻酸鹽無毒，來源豐富，并具有良好的生物相容性和可降解性[17]。在二價離子的存在下，藻酸鹽可以快速成膠，可用于封裝細胞制成生物墨水[18]。Park等[19]將海藻酸鈉與氯化鈣溶液混合再添加磷酸鹽緩沖液（phosphate buffer saline，PBS）制成藻酸鹽水凝膠，并用該水凝膠封裝兔自體鼻上皮細胞和耳軟骨細胞，隨后將其聯合PCL采用3D打印制成多層仿生氣管。體外培養顯示細胞生長良好，支架植入體內3、6、12個月檢查結果表明，移植物上皮再生明顯、有新生軟骨生成且管腔無明顯狹窄，體現了藻酸鹽良好的生物相容性，在組織工程領域有廣闊的研究前景。
2.4 殼聚糖（chitosan）
殼聚糖是一種線性多糖，由D-氨基葡萄糖和N-乙酰-D-氨基葡萄糖以β-（1，4）糖苷鍵連接起來，可采用堿性物質如氫氧化鈉等從蝦和蟹等甲殼類動物的殼中獲得。殼聚糖結構上與細胞外基質中的糖胺聚糖相似，具有良好的生物相容性、生物降解性、無毒、抗炎、抗菌特性，因此是一種非常具有潛力的生物材料[20]。但用作組織工程氣管的支架材料，單純殼聚糖水凝膠的機械強度還不夠。Chen等[21]采用凍融法制備了一種檸檬酸修飾的殼聚糖（citric acid-modified chitosan，CC）水凝膠，掃描電鏡觀察和壓縮實驗測量表明，CC水凝膠具有互聯的多孔結構和更好的力學性能；細胞學試驗顯示，CC水凝膠可促進BMSCs向軟骨分化，以上表明該水凝膠在構建軟骨化組織工程氣管支架中具有潛力。Kim等[22]利用靜電紡絲技術制備出一種殼聚糖納米纖維膜（chitosan-based nanofiber membrane，CHIM），將其整合在由多孔PCL支架和包裹軟骨細胞的膠原蛋白水凝膠組成的3D打印仿生氣管周圍；大鼠皮下移植顯示，支架周圍CHIM的保護可增強仿生氣管的軟骨再生，為促進組織工程氣管的軟骨化提供了新思路。O'Leary等[23]采用靜電紡絲技術構造了一種負載有全反式維甲酸（all-trans retinoic acid，atRA）的納米纖維PCL-殼聚糖支架，體外細胞培養實驗結果顯示，該支架不僅具有良好的生物相容性而且充分發揮了atRA的增強黏液纖毛上皮功能化的能力，體現了該支架作為一種新的氣管組織工程生物材料的巨大潛力。
2.5 透明質酸（hyaluronic acid，HA）
HA是一種廣泛分布于皮膚和關節軟骨中的天然糖胺聚糖，由D-葡萄糖醛酸和N-乙酰葡萄糖胺單元組成，是細胞外基質的重要組成部分；HA及其衍生物因其優異的生物相容性、生物降解性、可吸收性以及其作為自體成分的生理特性用做組織工程支架具有巨大的潛力[24]。Hong等[25]將提取自兔耳廓的軟骨細胞置于纖維蛋白-HA復合水凝膠中培養，4周后顯示該水凝膠中軟骨基質標記物表達水平明顯升高，制成氣管補片后移植到兔氣管缺損處，術后1、3、6個月檢測結果顯示手術部位被纖毛上皮完全覆蓋，無炎癥反應，表明該水凝膠在促進上皮再生和軟骨化方面具有巨大的潛力，但研究者們發現其實現軟骨細胞長期存活和形成具有滿意機械性能的軟骨能力有限，還需進一步改進。Hong等[26]將負載有兔關節軟骨細胞的纖維蛋白-HA水凝膠注射到聚乙丙交酯支架中，體外培養4周后移植入兔體內氣管缺損部，分別在術后6周和10周進行評估，結果顯示該復合支架成功實現了氣管窗型缺損的重建。Choi等[27]將多巴-HA偶聯物與3D打印的聚己內酯管狀氣管支架在PBS中共培養2 d，制成含HA涂層的氣管支架，體外接種MSCs培養顯示HA涂層可促進MSCs的黏附，隨后將該支架植入家兔體內行氣管置換，結果顯示術后氣道上皮再生明顯且無狹窄發生，以上結果表明具有優異生物相容性的HA在氣管組織工程的應用具有廣闊前景。
2.6 硫酸軟骨素（chondroitin sulfate）
硫酸軟骨素是一種天然的復雜大分子硫酸鹽多糖，也屬于糖胺聚糖類，作為細胞外基質的主要成分參與維持和保護細胞外微環境，同時它也是一種多功能信號分子和調節因子，直接或間接影響細胞的信號傳導功能，參與許多生理活動[28]。硫酸軟骨素具有良好的生物相容性、生物降解性、低細胞毒性，以及獨特的生物活性，如抗氧化性、抗炎性、免疫調節活性等，使得其在輸送系統和組織工程領域被廣泛研究。Xu等[29]構建了硫酸軟骨素和Ⅱ型膠原蛋白的復合支架，并接種BMSCs，置于軟骨培養基中12周，成功體外培養出了仿生軟骨環，展現了硫酸軟骨素在氣管組織工程領域的應用有巨大潛力。但由于硫酸軟骨素機械性能有限，Yu等[30]將具有生化信號作用的明膠，促蛋白多糖和Ⅱ型膠原蛋白分泌的硫酸軟骨素，促細胞增殖和遷移的透明質酸，以及可提高支架的柔韌性和粘彈性的聚乙烯醇相結合，利用單項冷凍干燥法模擬氣管軟骨細胞外基質的組成和結構，制備了具有定向微管結構和良好親水性能的明膠-硫酸軟骨素-HA-聚乙烯醇支架。研究結果顯示，該支架表現出與天然軟骨相似的壓縮彈性模量，并且可以促進細胞的黏附與增殖，體現了良好的生物相容性。
2.7 聚乙二醇（poly(ethylene glycol)，PEG）
PEG是環氧乙烷的低聚物，具有可調節的機械性能，并且易于控制支架的結構和化學成分。單純PEG水凝膠具有生物惰性，不利于細胞黏附，因此研究者常將PEG與其他水凝膠結合。Huo等[31]設計了一種新型生物墨水，通過八臂聚乙二醇琥珀酸酯（8-PEG-NSH）將血管化纖維環復合水凝膠與軟骨環復合水凝膠緊密結合，成功構建出了仿生軟骨-血管化纖維組織整合氣管。Chang等[32]在PEG/PCL共聚物中加入光引發劑制備出可光固化的PEG/PCL水凝膠，將兔耳廓軟骨細胞和BMSCs封裝在該水凝膠中，體外培養2周后發現，耳廓軟骨細胞中成軟骨基因表達明顯上調，體外培養4周后，封裝細胞的PEG/PCL水凝膠中蛋白多糖和Ⅱ型膠原等軟骨基質標記物的表達水平均增高。該研究顯示出PEG/PCL水凝膠具有促軟骨化能力，可用于構建具有良好軟骨再生能力的組織工程氣管支架。
3 總結與展望
本文綜述了水凝膠在組織工程氣管領域的應用，顯示了水凝膠具有生物相容性好、體內可降解、免疫原性低等性能。研究者利用其3D網絡結構，進行封裝細胞、負載藥物或生長因子，以及通過3D生物打印、靜電紡絲、冷凍干燥等技術構建仿生氣管支架并取得了優異的成果。關于水凝膠對細胞生物學行為的影響，Zhang等[33]發現動態調節水凝膠的相關機械特性，可通過作用于黏著斑激酶信號通路、影響核纖層蛋白A/C在細胞中的表達和分布等調節人間充質干細胞的分化。但水凝膠促進細胞黏附和增殖的相關機制還有待更深入的研究。其次，由于氣管結構的特殊性，要求支架具有維持管腔通暢的能力，而目前應用于氣管組織工程的水凝膠仍存在力學性能以及耐久性較差等問題導致達不到理想的效果，因此需要進一步探究。此外，在組織工程氣管領域，術后移植物的軟骨化、血管化、上皮化是必須要解決的問題，因此未來的水凝膠能否同時具有解剖學功能和生理學功能，值得進一步探索。綜上所述，水凝膠在組織工程氣管領域具有光明前景，有望實現臨床轉化。
利益沖突：無。
作者貢獻：陳文軒負責文獻分析，文章初稿撰寫與修改；單一波、孫飛和沈志明負責文章構思、設計和修改；盧毅、朱劍煒和袁磊負責文獻搜集整理和分析；史宏燦負責文章審閱和基金資助。
外傷、炎癥、腫瘤和先天性疾病等會造成不同程度的氣管損傷，若引發氣管狹窄或氣管軟化則需手術切除病變氣管。當成人氣管切除長度大于1/2或兒童氣管切除長度大于1/3時，吻合口張力過大，端端吻合較為困難，需移植氣管替代物行氣管重建[1]。目前氣管重建方式主要有同種異體移植、自體組織移植和組織工程氣管移植。同種異體移植物供體稀缺和免疫排斥問題尚未解決，自體組織移植雖然沒有免疫排斥反應，但是幾十年來研究人員對各種自體組織進行了自體移植嘗試，如帶蒂肌瓣、心包組織、網膜組織等，發現單獨的組織移植達不到維持氣管管腔通暢的力學要求，對于最合適的自體移植組織類型仍沒有達成共識[2]。氣管組織工程是應用組織工程技術實現氣管的再生，理論上可以完美解決長段氣管損傷問題，主要由種子細胞、生長因子和支架三個要素組成[3]。水凝膠因其獨特的理化性質和生理特性，作為支架在組織工程氣管領域得到廣泛應用。本文就近年來常用于組織工程氣管領域的不同水凝膠的特點、優缺點和效果等進行綜述，并對未來水凝膠應用于組織工程氣管領域面臨的問題進行探討。
1 水凝膠概述
水凝膠是以水為分散介質的凝膠，由含水量高且高度多孔的親水性聚合物組成，結構類似于天然細胞外基質，具有良好的生物相容性、生物降解性和機械強度，其3D網絡不僅為細胞提供了良好的錨定位點，可以用來封裝細胞，還能產生相關的生物學信號，有效促進細胞增殖和分化[4]。水凝膠獨特的理化性質使其在生長因子、營養物質和藥物的傳遞中發揮重要作用，同時水凝膠可以在特定刺激如溫度、pH以及離子強度等條件下進行調整，以滿足生物醫學不同的需求[5]。支架在組織工程氣管中具有十分重要的作用，不僅要具備足夠的強度以維持通氣功能，同時還需要為種子細胞的生長提供微環境，從而促進移植物的軟骨化、血管化和上皮化。水凝膠構建的支架以其特有的優勢在組織工程氣管中具有不可忽視的作用。
2 水凝膠在組織工程氣管中的應用
2.1 膠原蛋白/明膠（collagen/gelatin）
膠原蛋白作為哺乳動物含量最高的蛋白質，廣泛存在于各種結締組織如骨、軟骨、肌腱、血管、皮膚、角膜等，是細胞外基質的主要成分，不僅為細胞生長提供機械支撐，并且在細胞發育過程中具有調節作用。膠原蛋白作為機體內源性物質，具有含量高、生物相容性好、易加工、易與其他材料結合、免疫原性低及在體內易吸收等性能[6]。但是其在體內降解速率過快并且力學性能較差，研究者常通過化學交聯[7]或者光交聯[8]方法來進行改性以提高其力學性質和穩定性。明膠是膠原蛋白的單鏈衍生物，是膠原蛋白適度水解和熱變性的產物，因此明膠的分子組成與膠原蛋白非常相似，但明膠在具有生物相容性、可降解性、低抗原性和低毒性的同時更容易獲得，經濟成本更低，因此明膠相較于膠原蛋白應用更為廣泛[9]。Xu等[10]將鄰-硝基芐基衍生物接枝到透明質酸上，再與明膠相結合，獲得的光交聯復合水凝膠具有良好的力學性能，作為兔耳廓軟骨細胞載體與脫細胞氣管基質結合后軟骨再生明顯。甲基丙烯酰化明膠（GelMA）是明膠與甲基丙烯酸酐直接反應合成的可進行光交聯的水凝膠，其優異的生物學性能及可調節的物理性能在組織工程氣管領域被廣泛應用[11]。Tao等[12]設計出一種由GelMA、β-乳球蛋白納米顆粒、葡聚糖和軟骨細胞組成的納米顆粒穩定型乳化生物墨水，用基于數字光處理的3D生物打印技術將其打印成具有多孔結構的仿生氣管，軟骨細胞的增殖和擴散在該支架中得到增強，裸鼠皮下移植顯示該支架可以實現軟骨再生，為3D打印組織工程氣管提供了新的材料。盡管目前膠原蛋白、明膠或其衍生物能滿足一定的組織工程需要，但制造具有適當物理和化學性質以及復雜3D結構的支架仍是重大挑戰，還需學者們進一步研究。
2.2 絲素蛋白（silk fibroin）
絲素蛋白來源于家蠶絲纖維，作為一種天然蛋白質生物聚合物，絲素蛋白具有良好且可被調節的機械性能、優異的生物相容性、低免疫原性及可控的體內降解速率。絲素蛋白溶液可以通過物理非共價交聯和化學共價交聯的方式成膠，也可以采用物理化學雙交聯、構建雙聚合網絡絲素蛋白水凝膠或與其他水凝膠混合等方式來獲得更高強度的水凝膠[13]。Li等[14]利用絲素蛋白和普魯蘭多糖（pullulan，PL），在辣根過氧化物酶和過氧化氫存在的生理條件下，成功開發出了一種酶交聯的生物相容性水凝膠，并可以通過改變PL的濃度來調節水凝膠的各種物理化學性能，兔骨髓間充質干細胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）封裝實驗展示了該水凝膠具有良好的細胞相容性。Liu等[15]利用絲素蛋白相對良好的機械性能，采用溶液鑄造法制備了絲素管和聚己內酯（polycaprolactone，PCL）環，經冷凍干燥后，用靜電紡絲技術將PCL環以3 mm的間隔固定在絲素管上，成功構建出了絲素-PCL復合仿生氣管支架，經體外實驗評價和體內血管化實驗證實了這種多孔生物可降解仿生支架在組織工程氣管領域應用的可行性。Nematollahi等[16]利用冷凍鑄造技術構建了用于氣管組織工程的戊二醛交聯的殼聚糖絲素蛋白支架，通過調整冷凍速率和戊二醛的濃度，篩選出具有與人氣管相似的力學性能和合適的生物降解性的支架進行體外軟骨細胞培養實驗，證實了這種無毒、具有抗拉強度和彈性模量的多孔結構支架能促進軟骨細胞增殖，可用于氣管再生。
2.3 藻酸鹽（alginate）
藻酸鹽是一種天然多糖，來源于褐藻、海帶和馬尾藻等藻類以及幾種細菌菌株。藻酸鹽無毒，來源豐富，并具有良好的生物相容性和可降解性[17]。在二價離子的存在下，藻酸鹽可以快速成膠，可用于封裝細胞制成生物墨水[18]。Park等[19]將海藻酸鈉與氯化鈣溶液混合再添加磷酸鹽緩沖液（phosphate buffer saline，PBS）制成藻酸鹽水凝膠，并用該水凝膠封裝兔自體鼻上皮細胞和耳軟骨細胞，隨后將其聯合PCL采用3D打印制成多層仿生氣管。體外培養顯示細胞生長良好，支架植入體內3、6、12個月檢查結果表明，移植物上皮再生明顯、有新生軟骨生成且管腔無明顯狹窄，體現了藻酸鹽良好的生物相容性，在組織工程領域有廣闊的研究前景。
2.4 殼聚糖（chitosan）
殼聚糖是一種線性多糖，由D-氨基葡萄糖和N-乙酰-D-氨基葡萄糖以β-（1，4）糖苷鍵連接起來，可采用堿性物質如氫氧化鈉等從蝦和蟹等甲殼類動物的殼中獲得。殼聚糖結構上與細胞外基質中的糖胺聚糖相似，具有良好的生物相容性、生物降解性、無毒、抗炎、抗菌特性，因此是一種非常具有潛力的生物材料[20]。但用作組織工程氣管的支架材料，單純殼聚糖水凝膠的機械強度還不夠。Chen等[21]采用凍融法制備了一種檸檬酸修飾的殼聚糖（citric acid-modified chitosan，CC）水凝膠，掃描電鏡觀察和壓縮實驗測量表明，CC水凝膠具有互聯的多孔結構和更好的力學性能；細胞學試驗顯示，CC水凝膠可促進BMSCs向軟骨分化，以上表明該水凝膠在構建軟骨化組織工程氣管支架中具有潛力。Kim等[22]利用靜電紡絲技術制備出一種殼聚糖納米纖維膜（chitosan-based nanofiber membrane，CHIM），將其整合在由多孔PCL支架和包裹軟骨細胞的膠原蛋白水凝膠組成的3D打印仿生氣管周圍；大鼠皮下移植顯示，支架周圍CHIM的保護可增強仿生氣管的軟骨再生，為促進組織工程氣管的軟骨化提供了新思路。O'Leary等[23]采用靜電紡絲技術構造了一種負載有全反式維甲酸（all-trans retinoic acid，atRA）的納米纖維PCL-殼聚糖支架，體外細胞培養實驗結果顯示，該支架不僅具有良好的生物相容性而且充分發揮了atRA的增強黏液纖毛上皮功能化的能力，體現了該支架作為一種新的氣管組織工程生物材料的巨大潛力。
2.5 透明質酸（hyaluronic acid，HA）
HA是一種廣泛分布于皮膚和關節軟骨中的天然糖胺聚糖，由D-葡萄糖醛酸和N-乙酰葡萄糖胺單元組成，是細胞外基質的重要組成部分；HA及其衍生物因其優異的生物相容性、生物降解性、可吸收性以及其作為自體成分的生理特性用做組織工程支架具有巨大的潛力[24]。Hong等[25]將提取自兔耳廓的軟骨細胞置于纖維蛋白-HA復合水凝膠中培養，4周后顯示該水凝膠中軟骨基質標記物表達水平明顯升高，制成氣管補片后移植到兔氣管缺損處，術后1、3、6個月檢測結果顯示手術部位被纖毛上皮完全覆蓋，無炎癥反應，表明該水凝膠在促進上皮再生和軟骨化方面具有巨大的潛力，但研究者們發現其實現軟骨細胞長期存活和形成具有滿意機械性能的軟骨能力有限，還需進一步改進。Hong等[26]將負載有兔關節軟骨細胞的纖維蛋白-HA水凝膠注射到聚乙丙交酯支架中，體外培養4周后移植入兔體內氣管缺損部，分別在術后6周和10周進行評估，結果顯示該復合支架成功實現了氣管窗型缺損的重建。Choi等[27]將多巴-HA偶聯物與3D打印的聚己內酯管狀氣管支架在PBS中共培養2 d，制成含HA涂層的氣管支架，體外接種MSCs培養顯示HA涂層可促進MSCs的黏附，隨后將該支架植入家兔體內行氣管置換，結果顯示術后氣道上皮再生明顯且無狹窄發生，以上結果表明具有優異生物相容性的HA在氣管組織工程的應用具有廣闊前景。
2.6 硫酸軟骨素（chondroitin sulfate）
硫酸軟骨素是一種天然的復雜大分子硫酸鹽多糖，也屬于糖胺聚糖類，作為細胞外基質的主要成分參與維持和保護細胞外微環境，同時它也是一種多功能信號分子和調節因子，直接或間接影響細胞的信號傳導功能，參與許多生理活動[28]。硫酸軟骨素具有良好的生物相容性、生物降解性、低細胞毒性，以及獨特的生物活性，如抗氧化性、抗炎性、免疫調節活性等，使得其在輸送系統和組織工程領域被廣泛研究。Xu等[29]構建了硫酸軟骨素和Ⅱ型膠原蛋白的復合支架，并接種BMSCs，置于軟骨培養基中12周，成功體外培養出了仿生軟骨環，展現了硫酸軟骨素在氣管組織工程領域的應用有巨大潛力。但由于硫酸軟骨素機械性能有限，Yu等[30]將具有生化信號作用的明膠，促蛋白多糖和Ⅱ型膠原蛋白分泌的硫酸軟骨素，促細胞增殖和遷移的透明質酸，以及可提高支架的柔韌性和粘彈性的聚乙烯醇相結合，利用單項冷凍干燥法模擬氣管軟骨細胞外基質的組成和結構，制備了具有定向微管結構和良好親水性能的明膠-硫酸軟骨素-HA-聚乙烯醇支架。研究結果顯示，該支架表現出與天然軟骨相似的壓縮彈性模量，并且可以促進細胞的黏附與增殖，體現了良好的生物相容性。
2.7 聚乙二醇（poly(ethylene glycol)，PEG）
PEG是環氧乙烷的低聚物，具有可調節的機械性能，并且易于控制支架的結構和化學成分。單純PEG水凝膠具有生物惰性，不利于細胞黏附，因此研究者常將PEG與其他水凝膠結合。Huo等[31]設計了一種新型生物墨水，通過八臂聚乙二醇琥珀酸酯（8-PEG-NSH）將血管化纖維環復合水凝膠與軟骨環復合水凝膠緊密結合，成功構建出了仿生軟骨-血管化纖維組織整合氣管。Chang等[32]在PEG/PCL共聚物中加入光引發劑制備出可光固化的PEG/PCL水凝膠，將兔耳廓軟骨細胞和BMSCs封裝在該水凝膠中，體外培養2周后發現，耳廓軟骨細胞中成軟骨基因表達明顯上調，體外培養4周后，封裝細胞的PEG/PCL水凝膠中蛋白多糖和Ⅱ型膠原等軟骨基質標記物的表達水平均增高。該研究顯示出PEG/PCL水凝膠具有促軟骨化能力，可用于構建具有良好軟骨再生能力的組織工程氣管支架。
3 總結與展望
本文綜述了水凝膠在組織工程氣管領域的應用，顯示了水凝膠具有生物相容性好、體內可降解、免疫原性低等性能。研究者利用其3D網絡結構，進行封裝細胞、負載藥物或生長因子，以及通過3D生物打印、靜電紡絲、冷凍干燥等技術構建仿生氣管支架并取得了優異的成果。關于水凝膠對細胞生物學行為的影響，Zhang等[33]發現動態調節水凝膠的相關機械特性，可通過作用于黏著斑激酶信號通路、影響核纖層蛋白A/C在細胞中的表達和分布等調節人間充質干細胞的分化。但水凝膠促進細胞黏附和增殖的相關機制還有待更深入的研究。其次，由于氣管結構的特殊性，要求支架具有維持管腔通暢的能力，而目前應用于氣管組織工程的水凝膠仍存在力學性能以及耐久性較差等問題導致達不到理想的效果，因此需要進一步探究。此外，在組織工程氣管領域，術后移植物的軟骨化、血管化、上皮化是必須要解決的問題，因此未來的水凝膠能否同時具有解剖學功能和生理學功能，值得進一步探索。綜上所述，水凝膠在組織工程氣管領域具有光明前景，有望實現臨床轉化。
利益沖突：無。
作者貢獻：陳文軒負責文獻分析，文章初稿撰寫與修改；單一波、孫飛和沈志明負責文章構思、設計和修改；盧毅、朱劍煒和袁磊負責文獻搜集整理和分析；史宏燦負責文章審閱和基金資助。