人体衰老、急性创伤等引起的轴突损伤和神经元死亡，若缺乏及时有效的治疗，将造成不可逆转的损伤和功能缺失，严重影响生活质量
[1]。神经前体细胞的快速凋亡，极大加剧了受损神经组织修复的复杂性与挑战性，虽然当前已存在多种用于神经再生的植入性修复体系，但是难以调控的免疫炎症微环境仍会影响修复效果。因此，寻找一种高效诱导神经再生的组织工程支架，具有重要意义。
明胶具有良好的水溶性，保留了精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（arginine-glycine-aspartic acid，RGD）等丰富的生物活性序列，可促进细胞黏附和生长以及基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）的表达
[2]。利用明胶与甲基丙烯酸酐在适宜条件下发生酯化反应，将甲基丙烯酸基团引入明胶分子中，形成甲基丙烯酰化明胶（gelatin methacryloyl，GelMA）前体；然后在光引发体系下通过特定波长的紫外光照射，可发生聚合反应，形成具有稳定三维网状结构的GelMA水凝胶
[3]。GelMA水凝胶保留了明胶的大部分生物活性序列（如RGD和MMP），具有适于细胞生长和分化的三维结构、优异的生物相容性等特性，可用于组织工程和药物递送。近年来，GelMA水凝胶及其形成的复合材料已逐步应用于神经组织修复。本文深入探讨了GelMA复合水凝胶材料的制备工艺与加工技术，并就其作为神经修复材料载体的应用进行分析，旨在为神经组织再生修复领域提供新思路。
1 GelMA水凝胶制备工艺与加工技术
针对不同部位神经组织的修复，需要制备不同形态的GelMA水凝胶载体，例如，脑损伤修复需要制备与缺损部位形状相匹配的GelMA水凝胶，脊髓及周围神经损伤修复需要导管状结构的GelMA水凝胶以促进神经桥接，因此，形状调控成为GelMA水凝胶制备的核心挑战。本文重点探讨3种实现复合GelMA水凝胶材料形状调制的制造与加工工艺。
1.1 模板法
模板法是一种高效且灵活的制备技术，它利用硅胶、聚苯乙烯、聚甲基硅氧烷等模具材料，在模具表面沉积GelMA水凝胶前体流体，并通过适当的固化过程引发原位凝胶化，能够在短时间内大批量生产出具有理想直径和长度的GelMA水凝胶载体，其制备过程如
图1所示。还可以通过调整模具结构，制备出不同形状的GelMA水凝胶，如空腔、凹槽、脊等，为细胞培养提供附着点与生长环境，有助于细胞的定向生长与分化
[4]。Zhou等
[5]和He等
[6]采用具有一定大小的聚二甲基硅氧烷作为模具，通过光交联反应制备了利于神经干细胞（neural stem cell，NSC）附着的复合GelMA水凝胶支架，用于脊髓损伤修复。Tan等
[7]在实验中采用冰模板法制备3D神经矩阵基质，合成具有定向多孔结构的GelMA水凝胶薄层，与富含趋化因子和抗衰老药物形成间充质干细胞（me-senchymal stem cell，MSC）募集和神经分化的多功能人工生态位，用于增强皮肤伤口处的神经再生。模板方法也常用于合成人工神经导管，将GelMA水凝胶注入特定直径大小的聚己内酯导管、镍网导管中，利用光固化反应，再进行脱模处理，可以形成形状固定的凝胶导管
[8-9]。模板法作为一种高效的水凝胶制备技术，不仅推动了GelMA复合水凝胶材料在神经修复领域的创新应用，还展现了其在构建复杂结构和实现功能化表面的巨大潜力。
1.2 3D生物打印技术
3D生物打印技术通过逐层沉积生物墨水来再现细胞组成和组织结构，为受损组织的再生进程构建理想的微环境基础，已成为一项可靠的材料制备技术
[10]，其制备如
图2所示。具有良好的可调控性和生物相容性的GelMA水凝胶不仅可以作为打印组织的结构框架，还可以调控并优化细胞生长的微环境，进而引导细胞的行为活动，因而成为3D生物打印的优选材料。利用3D生物打印技术，研究者们已经能够直接构建出用作神经导管的多通道水凝胶，利用数字光处理的连续3D生物打印工艺，可以快速定制出具有不同内径、壁厚的GelMA水凝胶神经导管。其中，Das等
[11]和Zhang等
[12]在实验中制备了含细胞的多通道神经引导导管，分布在通道周围的细胞，存活率显著提升至90%以上。Wu等
[13]和Tao等
[14]则构建了含药物的载药管道，这些管道能够紧密附着在神经间隙处并缓释药物，促进了长间隙神经缺陷的重新连接和神经支配，电生理测试、形态学测试和组织学评估表明，该导管可以有效促进轴突再生、髓鞘再生和功能恢复。此外，3D生物打印技术还可以支持神经系统中的多种细胞类型和活性因子，有助于创建复杂的仿生神经组织。Wu等
[15]将定向生长的大鼠雪旺细胞系（rat Schwann cell line，R-SC）96封装在海藻酸盐-GelMA细菌纳米纤维素（bacterial nano cellulose，BNC）中，并使用生物打印机构建了特定形状的三维水凝胶结构；植入裸鼠4周后观察到RSC96细胞生长增殖情况良好，并伴有明显的血管生长，且细胞呈S-100β免疫荧光阳性。Hamid等
[16]利用3D打印技术制备了能够负载胚状体（embryoid body，EB）的聚己内酯/GelMA水凝胶管状支架，能够有效促进神经细胞分化。Ning等
[17]通过调整GelMA水凝胶的打印参数，如打印速度和交联条件等，还间接调节了所负载细胞的生长特性。理想的神经支架不仅需要具备稳固的机械性能，还需具备精细的导向结构，而3D生物打印技术可以实现对水凝胶支架结构的调控，并且能为神经细胞的再生提供良好微环境，恰好解决了这一难题。
1.3 原位注射成型技术
脊髓损伤区域通常呈现为不规则的囊腔结构，其形态复杂多变，导致传统的支架难以精确匹配脊髓损伤区域的轮廓，限制了修复的效果。相比之下，GelMA水凝胶可以直接注入腔体，以任意形状完成填充，随后在光、热、pH等内外条件的精确调控下，从溶液状态变为凝胶状态，完美贴合脊髓损伤区域的复杂形态，制备流程如
图3所示。Zhou等
[18]研究出一种基于沸石咪唑酸盐框架的pH响应型水凝胶，该复合水凝胶在生理条件下稳定，但在pH值为6.5或5.5时会发生分解，持续释放Zn
2+，同时发生溶胶-凝胶转变；该水凝胶可通过经典的丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activa-ted protein kinase，MAPK）途径促进骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cell，BM-SC）的分化。光引发也是实现可注射水凝胶在体内快速凝胶化的重要机制，GelMA水凝胶在结构上与细胞外基质相似，不仅具有高生物相容性和良好的注射性，还能在温和条件下实现原位光聚合。例如，Wang等
[19]研发出的赖氨酸（lysine，Lys）@中空介孔二氧化硅纳米颗粒（hollow me-soporous silica nanoparticles，HMSN）/GelMA复合水凝胶，Wang等
[20]研发出的GelMA-小细胞外囊泡（small extracellular vesicles，sEVs）-小檗碱（berberine，Ber）双载体系统，Qi等
[21]研发出的芬戈莫德（fingolimod，FTY720）-碳点（carbon dots，CDs）@GelMA水凝胶，均可注射入脊髓缺损部位，经充分光固化后，其杨氏模量接近正常脊髓组织，可以促进迁移性内源性NSC的神经元分化，用于脊髓损伤修复。针对脊髓损伤区域的不规则性，原位注射成型的GelMA水凝胶凭借其灵活匹配与快速凝胶化的特性，结合多种刺激响应机制，在脊髓损伤修复领域展现出巨大的应用潜力。
综上所述，这3种方法为制备用于神经修复的GelMA水凝胶提供了不同策略。模板法借助模具成型，制备的GelMA水凝胶尺寸精度较高且可重复性好，适于制备对形状和尺寸有严格要求的神经导管。3D生物打印技术可以构建出复杂的内部结构和仿生组织架构，定制特定结构的GelMA水凝胶，为细胞提供一个理想的生长微环境，从而有利于细胞的增殖、分化和组织再生。原位注射成型的GelMA水凝胶，能完美贴合复杂损伤部位的形状，在体内原位形成凝胶，对周围组织的损伤较小。在不同应用场景下，GelMA水凝胶也各有优势和局限性。由于脑损伤部位的形状复杂多样，因此在制备修复材料时，采用可定制形状的3D生物打印技术和能够灵活填充损伤部位的原位注射成型法具有显著优势。在脊髓损伤修复中，模板法制备的神经导管具有优势，而在周围神经损伤修复中，模板法制备的导管状GelMA水凝胶能有效促进神经桥接。不同的制备方法各有千秋，应根据具体损伤类型和修复需求选择合适的技术策略。
2 以GelMA水凝胶为载体的神经修复生物材料
GelMA水凝胶具有优异的生物相容性，可以为细胞提供类似细胞外基质的微环境，有利于细胞的黏附和生长，同时，通过调整其交联密度、孔隙率等参数，还可以实现对负载药物或生长因子的长效稳定释放。利用GelMA水凝胶负载神经营养因子（neurotrophin，NT）、药物及NSC等，可以促进神经细胞的生长与分化，高效修复受损神经组织，展现了广阔的临床应用前景。
2.1 负载生物活性因子
为避免细胞存活率下降、免疫排斥等问题，多项研究将细胞成分和细胞分泌物直接负载到GelMA水凝胶中，用以促进神经功能恢复
[22]。脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）、神经生长因子（nerve growth factor，NGF）和NT-3、4等作为调节中枢和周围神经系统的发育、抑制细胞凋亡的关键介质，是神经修复中的重要角色。Zhuang等
[23]将负载胶质细胞源性神经营养因子（glial cell-line derived neurotro-phic factor，GDNF）的GelMA水凝胶成功应用于大鼠坐骨神经缺损模型，在pH为7.4的磷酸盐缓冲液中，GDNF第一天的释放量达到了15.0%± 2.1%，随后2~3 d释放量减缓至3.0%±1.4%，之后以每天约0.1%的线性速率持续释放至32 d，该材料实现了GDNF的持续释放，避免了高剂量一次性释放可能带来的不良效果，同时实现了轴突再生和神经功能恢复。Xu等
[8]将纤毛神经营养因子（ciiary neurntrophic factor，CNTF）及胰岛素样生长因子（insulin-like growth factor，IGF）-1封装到GelMA水凝胶中，基于MMP响应性，实现CN-TF和IGF-1的可控释放，在修复大鼠坐骨神经缺损方面取得了优异效果。此外，Dong等
[9]将富血小板血浆（platelet-rich plasma，PRP）与海藻酸钠（sodium alginate，SA）复合的GelMA水凝胶导管结合，利用PRP分泌的血小板源性生长因子-BB、血管内皮生长因子A和转化生长因子β来调节微环境，持续线性释放28 d，促进了雪旺细胞（Sch-wann cell，SC）的迁移与新生血管的形成。Hu等
[24]和Mendes等
[25]分别将BDNF和NGF封装进与还原氧化石墨烯（reduced graphene oxide，rGO）纳米片和氧化石墨烯（graphene oxide，GO）结合的GelMA水凝胶中，通过调节电刺激实现了活性因子的持续释放。此外，将NGF负载到GelMA水凝胶中不仅能实现长效释放，还能通过产生的营养因子梯度来刺激神经节的定向延伸
[26]。通过将NT和细胞分泌物整合进GelMA水凝胶，结合其可控释放的特点与生物相容性优势，能显著提高神经修复的效率。
除生物活性因子外，治疗性药物也同样可被负载于GelMA水凝胶中，以实现长效释放。Tan等
[7]将趋化因子和抗衰老药物装载入GelMA水凝胶，通过缓释趋化因子以募集体内MSC，同时利用抗衰老药物促进其向神经细胞分化，从而在伤口处构建了一个多功能人工生态位，实现了有效的神经再生。Wu等
[13]将7,8-二羟基黄酮（dihydroxyflavone，DHF）加载到GelMA/甲基丙烯酸缩水甘油酯化丝素蛋白（silk fibroin glycidyl methacrylate，SF-MA）复合水凝胶中，并证实了其可促进神经突伸长。Wang等
[20]研发的GelMA-sEVs-Ber水凝胶，利用了Ber的抗炎、抗氧化、抗凋亡等药理作用，调节炎症因子的表达，促进了脊髓损伤大鼠的神经再生和运动功能恢复。将药物负载于GelMA水凝胶中，能够实现药物的长效释放，为治疗神经损伤提供了新的药物递送策略；其优异的负载特性已成功应用于大脑、脊髓和周围神经等多部位神经缺损的修复，并展现出优异的神经再生促进效果。部分负载生物活性因子的GelMA复合水凝胶材料的材料特性见
表1。
2.2 负载干细胞
2.2.1 负载NSC
NSC疗法是通过替换损伤的细胞实现轴突再生，并能有效抑制细胞凋亡
[27]。作为神经修复的理想载体，GelMA水凝胶具有良好的生物相容性和机械强度，它可以运输多个神经细胞至受损部位并长效发挥作用。Zhou等
[5]将装载有NSC和BMSC的GelMA复合水凝胶支架移植到大鼠脊髓横断损伤部位，BMSC的引入抑制了NSC向星形胶质细胞的分化，进而促进了运动功能恢复和神经元分化，同时减少了神经胶质瘢痕的形成。Hamid等
[16]将EB掺入聚己内酯/GelMA水凝胶基质中，有效控制了异硫氰酸酯共轭牛血清白蛋白的浓度，并促进了神经元的分化，为研发神经修复的仿生支架提供了新思路。此外，3D打印的导电水凝胶在特定电刺激下，能够增强神经元干细胞的增殖与分化
[28]。干细胞疗法与GelMA水凝胶的结合，在促进神经修复、轴突再生方面展现出了显著效果，为脊髓损伤及神经退行性疾病的治疗开辟了新途径。
2.2.2 负载SC
SC是周围神经系统的主要神经胶质细胞，也是内源性修复的重要组成部分，可以在神经纤维周围形成髓鞘，并为轴突提供结构支持。Wu等
[15]使用3D生物打印构建了不同配比的GelMA/BNC复合水凝胶，包裹RSC96制成神经支架进行细胞培养，其中5% GelMA+0.3% BNC组相关神经因子的mRNA水平高于其他组，为RSC96细胞提供了良好的生存环境，有望成为神经组织工程的候选材料。体内研究
[29]结果表明，在大鼠的神经损伤模型中，GelMA水凝胶可通过引入SC来减少脊髓损伤后的细胞凋亡并促进神经功能恢复。此外，优化温度参数后打印的GelMA水凝胶神经导管可显著提高所运输SC的存活率
[12]。SC结合GelMA水凝胶及其复合材料，不仅提高了存活率，还促进了神经因子的表达与神经功能恢复，为修复神经组织的生物材料制备提供了新思路。
2.2.3 负载MSC
源自骨髓、脂肪组织或人脐带血的MSC可分化为雪旺样细胞，具有强增殖能力、多向分化潜能和免疫调节能力，是神经组织修复的关键细胞来源。负载MSC的GelMA复合水凝胶被注射入神经受损部位，可分泌提供神经保护和营养支持的细胞因子，以促进神经元的再生。Luo等
[2]用10% GelMA水凝胶、人碱性成纤维细胞生长因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）和牙髓干细胞（dental pulp stem cell，DPSC）构建出神经再生导管，并填充于纤维素/大豆分离蛋白复合膜管中，用于修复大鼠15 mm长的坐骨神经缺损；术后12周，缺损部位新形成的神经组织主要由引入的DPSC直接分化而来。BMSC可抑制NSC向星形胶质细胞分化，Zhou等
[5]将BMSC与NSC一起封装至神经导管内，有效减少了神经胶质瘢痕形成。MSC凭借其增殖、多向分化及免疫调节能力，在神经修复中扮演核心角色，与GelMA水凝胶结合，促进了神经细胞的神经保护和营养支持功能，实现了神经元的再生与神经缺损的有效修复。
负载不同类型干细胞的GelMA复合水凝胶的材料特性详见
表2。
2.3 负载其他材料
2.3.1 负载纳米材料
GelMA水凝胶虽然具有优异的生物相容性与可降解性，但其较为脆弱的结构特点限制了在组织工程中的应用
[30]。为了克服这一局限，研究者们不断探索能够增强GelMA水凝胶机械性能的材料，而纳米材料具有独特的网络结构和良好的机械性能，成为优化GelMA水凝胶的理想选择。混合了纳米材料的GelMA水凝胶的机械性能显著增强，同时能够有效支持细胞存活与分化
[31]。Zhang等
[32]引入不同浓度的rGO，验证了石墨烯基纳米材料在提升GelMA水凝胶的抗压强度与流变性能方面的有效性。此外，碳纳米纤维和GO
[25]等纳米材料的添加，同样增强了GelMA水凝胶的流变性能
[11]。Park等
[33]等将基于rGO和GelMA水凝胶的人工神经导管应用于周围神经损伤的修复中，体外实验显示，与纯GelMA水凝胶和非还原型GO/GelMA水凝胶相比，rGO/GelMA复合材料在促进PC12细胞生长方面表现出显著优势，在大鼠10 mm坐骨神经损伤模型中，该材料展现出了显著的神经再生功能改善效果。在Wang等
[19]研发出的Lys@HMSN/GelMA复合水凝胶中，HMSN凭借其独特的介孔结构、较大的比表面积和良好的生物相容性，可以实现Lys的长期持续释放，Lys侧链含有可质子化的氨基，水解时产生较多氢氧根离子，可以改善脊髓损伤酸性微环境，利于脊髓损伤修复。Qi等
[21]制备的FTY720-CDs@ GelMA水凝胶与NSC联用治疗脊髓损伤，该材料可清除活性氧，促进NSC增殖分化，有利于神经元和突触形成，显著提升大鼠运动功能恢复。研究者通过引入纳米材料对GelMA水凝胶进行改性，有效增强其机械性能，在周围神经及脊髓损伤修复领域展现出显著应用潜力，为组织工程研究提供了新的方向与思路。
2.3.2 结合脱细胞基质微凝胶
脱细胞细胞外基质（decellularized extracellular matrix，dECM）是从组织中提取的非细胞成分，由于去除了同种异体/异源细胞抗原，dECM在植入后对宿主的免疫原性显著降低，具有组织特异性与生物相容性
[34]，可运载不同神经细胞用于神经修复。但大多数凝胶基dECM材料的机械性较差，可打印性远低于其他常用的生物材料，因此有研究将dECM与其他材料进行混合，提高其机械性以便更好地进行生物打印。Yu等
[35]将dECM与GelMA水凝胶进行混合，制备成可光交联水凝胶，使用数字光处理的3D生物打印机打印，形成具有复杂微尺度几何形状的水凝胶。基于该技术，Wang等
[36]开发的dECM/GelMA水凝胶不仅可以显著促进神经突延伸和SC迁移，并可通过3D打印调控其形态以桥接神经缺损。从脊髓组织中提取的脱细胞脊髓细胞外基质（decellularized spinal cord extracellular matrix，DSC），经酶消化、pH中和、离子平衡等处理后，可制成脱细胞脊髓细胞外基质凝胶（decellularized spinal cord extracellular matrix-gel，DS-CG），具有可注射、可填充不规则形状空间等优点，并且已被证实能够促进人诱导性多能干细胞向神经元分化
[6]。Xu等
[37]发现，DSCG在脊髓损伤的大鼠恢复方面的效果总会在治疗后4~8周内消失，这可能与其快速降解有关。因此，DSCG应与其他生物活性材料结合以增强其机械性能，He等
[6]将DSCG与GelMA水凝胶混合制备成三维复合支架，既增强了DSCG的机械强度，又弥补了GelMA水凝胶在支持细胞黏附、增殖与分化方面生物活性的不足；研究者通过体外实验验证了该支架可促进MSC黏附、增殖和分化，并将MSC包裹的复合支架移植到脊髓损伤大鼠体内，证实了其可以促进轴突再生及运动功能恢复，抑制神经胶质瘢痕的发生。dECM及DSC通过去除细胞抗原展现了优异的组织特异性和生物相容性，但机械性能不足限制了其应用，研究者们通过将其与GelMA水凝胶混合，不仅提升了机械强度和可打印性，还促进了神经细胞生长、迁移及分化，为神经组织损伤修复提供了创新策略。
结合其他材料的GelMA复合水凝胶的材料性能见
表3。
3 总结与展望
在神经修复领域，GelMA水凝胶的应用已取得了重大进展。通过3D生物打印、原位注射成型等先进方法制备的复合GelMA水凝胶材料，为体内外实验研究带来了显著突破。尽管GelMA水凝胶在脊髓和周围神经的修复方面已取得了一定成果，但在脑神经修复领域仍存在诸多待解难题。随着对这些疾病研究的不断深入，如何将GelMA水凝胶更有效地应用于脑部疾病的治疗，成为亟待解决的关键问题。未来，科研人员仍需探索其作为药物递送载体的潜力，通过精确控制药物的释放时间和位置，实现更精准的治疗。同时，可以通过探索新型交联方式和刺激响应机制，如光控、温控或pH响应等，以便更灵活地适应受损部复杂的微环境。此外，将GelMA水凝胶与刺激反应机制（如葡萄糖、酶或磁场等）相结合，能够实现微环境响应，从而实现药物的可调控性释放。不仅如此，GelMA水凝胶在体内降解迅速，缺乏长期稳定性，导致性能下降，有望通过调整材料成分、改进加工技术和引入稳定剂等方式，增强生物相容性、稳定性。
国家自然科学基金(82501110)
广西口腔颌面修复与重建研究重点实验室开放课题(GXKLOMRR2403)
京公网安备11010202008535号
PDF
(1219KB)
