奇妙水凝胶：基于干细胞的组织工程支架材料

先来从一则不算太遥远的旧闻开始说起。

2024年3月，北京航空航天大学生物与医学工程学院、生物力学与力生物学教育部重点实验室、北京市生物医学工程高精尖创新中心樊瑜波教授、刘海峰教授团队与军事医学科学研究院郭希民研究员合作，以“Osteoinductive dental pulp stem cell-derived extracellular vesicle-loaded multifunctional hydrogel for bone regeneration”为题发表于国际著名学术期刊《ACS Nano》

该研究利用成骨诱导液培养人牙髓间充质干细胞（DPSCs）获得工程化牙髓间充质干细胞源细胞外囊泡（Ost-EVs），与透明质酸（HA）基多功能水凝胶结合成功制备了一种独特的水凝胶支架材料，以增强材料的成骨矿化能力，同时具有血管生成和抗炎能力。该水凝胶具有超强的湿组织黏附性、自愈性、可注射性以及环境刺激响应性。通过负载Ost-EVs显著增强了mHA/PEG水凝胶（Ost-EVs@mHA/PEG）的骨再生能力。Ost-EVs能够显著减轻炎症，招募干细胞促进成骨分化，加速骨组织再生。

简单来说就是，北航生物与医学工程学院的专家团队基于干细胞来源的细胞外囊泡研制出水凝胶支架材料——后者因具有良好的生物相容性、生物可降解性和多种功能性修饰手段，而被认为是输送细胞外囊泡的优异运载工具。

这种工程化方案有利于提取细胞外囊泡，增强间充质干细胞的移植效能。其最直接的应用，就是用于临界骨缺损修复。为了便于间充质干细胞定植在骨缺损的病灶部位，具有较强粘附性的水凝胶可以像防水涂料一般附着在病骨上，成为干细胞生长的基质，同时，其还可以堵塞病骨表面腔隙和毛细血管渗血。

水凝胶与干细胞结合而诞生的特殊生物材料不仅对骨损伤修复效果显著，还可以应用在炎症调节、促进椎间盘再生、脊髓损伤、伤口愈合（皮肤损伤）、骨关节炎、脑卒中等领域。

以脑卒中（Stroke）为例，脑卒中也俗称中风，是一种由于脑部血液供应受阻或出血导致脑组织损伤的记性脑血管疾病，包括缺血性脑卒中（血栓或栓塞引发）和出血性脑卒中（血管破裂引发）两类。由于水凝胶独特的亲水性高分子三维网络结构，其可吸收保持大量水分并维持一定固态，这为其模拟细胞外基质，成为神经元生长支架提供了物理基础。并且，水凝胶负载干细胞及其衍生的生长因子还可以保护神经系统，促进新生血管形成。包括透明质酸、明胶在内的水凝胶材料甚至具有抗炎特性，其可调节小胶质细胞极化，减少脑卒中后继发性损伤。

更令人感到满意的是，水凝胶的细胞外基质组成使其几乎不会引发免疫反应，优异的生物相容性更使得水凝胶的植入会随着时间逐步降解，规避了瘢痕形成，这对于某些医美项目来说更是难能可贵。水凝胶的半液态使其足以适应复杂的填充形状及大小，确保药物/干细胞可均匀黏附/填充在整个损伤区域，而且通过注射方式还能减少传统手术的创伤和风险，其技术难度也易于医疗条件不佳的地区推广。

总的来看，基于干细胞的水凝胶是一种不可多得的多功能生物材料，目前已被广泛应用于骨损伤、脑卒中和医美领域，其对神经元再生、血管重塑和炎症调控的积极效果日益得到重视，相信随着生物工程技术的进一步成熟，优化交联方式后的水凝胶材料将在降解速率上更精准地匹配医疗需要。

参考文献

[1] https://ygy.buaa.edu.cn/info/1072/4002.htm

北京航空航天大学医学科学与工程学院：《ACS Nano》发表北航医工学科研究成果---工程化牙髓间充质干细胞源细胞外囊泡复合多功能水凝胶促进骨再生

[2]张鑫瑞,韩悦,刘建宇,等. RGD肽修饰水凝胶携带脂肪间充质干细胞对大鼠脊髓损伤的治疗作用 [J]. 神经损伤与功能重建, 2025, 20 (06): 335-339. DOI:10.16780/j.cnki.sjssgncj.20250020.

[3]郭宇恬,龚芷宁,高钰,等. 水凝胶搭载生长因子在脊髓损伤后不同阶段的研究进展 [J]. 神经损伤与功能重建, 2025, 20 (06): 340-344. DOI:10.16780/j.cnki.sjssgncj.20230462.

[4]祝予霖,张雯静,顾松. 水凝胶生物力学特性及其在皮肤创面治疗中的研究进展 [J]. 医用生物力学, 2025, 40 (03): 784-790. DOI:10.16156/j.1004-7220.2025.03.035.

[5]后天,邱琳雯,周新珏,等. 干细胞外泌体促进皮肤损伤修复的研究进展[J]. 北京化工大学学报(自然科学版), 2025, 52 (03): 14-25. DOI:10.13543/j.bhxbzr.2025.03.002.