急性肾损伤是全球关注的公共卫生问题，其治疗和管理策略不断进步。除了传统的肾脏替代疗法外，近年来的研究还集中在全器官工程以及用于体内再生的肾脏辅助设备和制剂的生物制造上。水凝胶材料因其良好的生物相容性、热稳定性和可调控的生化及力学性能，在肾组织工程中显示出巨大的潜力。该文综述了各类水凝胶材料在肾组织工程中用于促进肾脏再生方面的研究，讨论了天然水凝胶和合成水凝胶各自的特点与用途，旨在进一步推动其在临床中的应用。
引用本文： 王海洋, 陆子介, 方超, 李翔. 水凝胶材料在肾组织工程中的应用研究. 华西医学, 2024, 39(7): 1010-1014. doi: 10.7507/1002-0179.202406086 复制
急性肾损伤（acute kidney injury, AKI）是一种因肾功能短时间内快速减退而发生的临床综合征，通常包括肾的组织结构损伤和功能丧失[1-2]。治疗 AKI 的传统方法主要包括支持性治疗和肾脏替代疗法，但这些方法往往伴随着高昂的医疗费用和潜在的药物毒副作用[3-4]。为应对这些挑战，研究人员正在探索更安全有效的 AKI 治疗方法。肾组织工程一直吸引着人们的广泛关注，科学家们正试图通过多种方式重建一个有功能的肾脏。这是一个相对前沿的领域，其设计通常会考虑以下几点：① 肾细胞的细胞生物学和潜在的生物材料可以为肾脏组织生长提供支撑；② 在生物相容性方面，不存在任何阻碍功能组织发育的副作用；③ 生物材料的制备应该力求精准，以便三维支架能够模拟肾脏细胞组织的天然结构。其他会考虑的方面，如通过材料改性和创建药物释放系统而诱导的增强生物相容性，为工程支架提供了额外的价值[5]。水凝胶是一类物理或者化学交联的高分子材料，具有高亲水性、良好的生物相容性，以及接近活组织的软力学特征，能够模拟肾脏的结构和功能，以实现高效的肾脏替代。高孔隙率水平、高比表面积、可降解让其有潜力成为治疗 AKI 的支架材料与药物递送载体材料[6]。本文总结了多种类型的水凝胶材料在肾组织工程中的应用，并对水凝胶治疗 AKI 的研究进展进行了综述和展望。
1 天然水凝胶
1.1 细胞外基质（extracellular matrix, ECM）
在生物系统中，ECM 不仅能够维持细胞结构的完整性，还是保持细胞动力学和功能的重要部分。ECM 组分主要有Ⅳ型胶原、层粘连蛋白、核原-1 和硫酸肝素蛋白聚糖。因为肾脏组织结构的复杂性，不同的肾组织部分的 ECM 组分也有所差异。利用从动物组织中提取出的 ECM 组分构建的水凝胶是一种天然的水凝胶材料，有着与 ECM 类似的理化特性，因此在促进细胞的黏附和迁移方面有着得天独厚的优势。从肾脏中提取天然 ECM 制备水凝胶的方法如下所述[7]：首先用表面活性剂十二烷基硫酸钠和 Triton X-100 洗掉所有细胞成分，留下的就只有 ECM，然后将其冻干和冷冻，即可用于制备水凝胶支架材料。Lih 等[8]把肾脏来源的 ECM 添加到含有氢氧化镁的三维聚乳酸-羟基乙酸共聚物支架中，设计了一款仿生水凝胶支架，实现了对肾小球组织的修复，恢复了肾功能，降低了炎症反应。在组织工程中，另外一个使用 ECM 的方法是发展生物墨水。例如，Ali 等[9]开发了光交联肾特异性 ECM 生物墨水用于肾组织生物打印，该生物墨水主要由可光固化的甲基丙烯酸改性的肾源 ECM 构成，并加入明胶、透明质酸、甘油等添加剂提升三维打印过程中的均匀性和稳定性。该生物墨水经光固化三维打印得到的水凝胶具备自然肾组织的结构和功能特征，为肾细胞的成熟和组织形成提供了特异性微环境，实现了较高的细胞存活和增殖率。
1.2 胶原蛋白
胶原蛋白是肾源 ECM 的主要组成成分。纯胶原蛋白具有优异的生物活性，尤其是Ⅰ型胶原蛋白。Wu 等[10]利用鱼鳔来源的胶原蛋白和抗纤维化硫酸软骨素衍生物进行物理交联和共价连接，制备了一款胶原蛋白基仿生水凝胶支架。通过调控胶原蛋白和硫酸软骨素衍生物的质量比，制备的水凝胶支架具有合适的力学强度、优良的热稳定性以及高生物相容性。体内实验表明，和对照组相比，该仿生水凝胶在部分肾切除的大鼠模型中招募了更多的天然肾细胞，降低了管状损伤，诱导了肾小管样组织的再生，恢复了肾代谢功能。
1.3 海藻酸盐
海藻酸盐主要来源于褐藻，是一种由 β-D-甘露醛酸和 C5 外聚体 α-L-月桂醛酸通过 1, 4-糖苷键连接形成的线性多糖。海藻酸盐具有优异的生物相容性和可调控的力学性能，并且有着类似于 ECM 的基质构象，其在组织工程中的应用受到广泛关注。因此，在肾组织工程中，海藻酸盐被用作一种细胞负载基质，可以模拟细胞外环境。Chu 等[11]用氯化钙溶液交联的脱细胞猪肾 ECM 和海藻酸盐水凝胶制剂，进行了体内和体外细胞治疗实验，利用大鼠肾祖细胞进行的体外细胞共培养实验表明，在细胞培养 7 d 时间内，添加 2% 的海藻酸盐的 ECM 具有显著促进细胞增殖的作用；在体内注射负载祖细胞的水凝胶，通过积累 M1 和 M2 巨噬细胞，刺激早期愈合，水凝胶在超过 21 d 后降解。Trouche 等[12]采用类似的策略，将间充质干细胞（mesenchymal stem cell, MSC）包裹在海藻酸盐微球聚 L-赖氨酸水凝胶作为移植物，用作细胞装载支架植入受损肾脏，微球在植入后的 25 d 内一直停留在肾组织内，未引起局部组织的炎症和纤维化，肾功能指标中的血浆肌酐和尿素浓度也没有显著变化。
1.4 明胶
明胶作为由动物胶原降解制得的生物蛋白大分子，具有优异的生物降解性及良好的生物相容性。Fu 等[13]用定制的人工肾胶囊和 MSC 装载的水凝胶治疗横纹肌溶解性诱导的 AKI，具体来说，通过三维建模和打印，设计和制造了具有与肾脏相同大小和形状的弹性胶囊，作为肾脏和细胞装载化学交联明胶基水凝胶（chemically cross-linked gelatin hydrogel, mTG-Gel）的外膜，体外实验表明，明胶基水凝胶良好的生物相容性保证了 MSC 的生存和增殖；在体内，将人工肾胶囊包裹在肾脏，然后通过人工肾蒂将含有 MSC 的 mTG-Gel 注射到损伤的肾组织中，结果显示，骨髓 MSC 在 mTG-Gel 中生长和分布良好，细胞增殖和多谱系特化不受影响；此外，被 MSC 负载 mTG-Gel 包裹的损伤肾组织可以维持肾功能，改善肾小管病变，减少细胞凋亡。综上所述，mTG-Gel 具有良好的生物相容性，可能是一种很有前途的骨髓 MSC 细胞生长载体。通过人工肾胶囊注射 mTG-Gel 能够安全、有效地将骨髓 MSC 输送到肾脏进行肾组织修复。这种策略不仅为 AKI 的治疗提供了一个有前途的肾替代方案，而且为其他器官的修复提供了一种通用的可行方法。
1.5 多肽
多肽水凝胶是由肽类分子经自组装形成的三维网络结构的水凝胶，具有高含水量、良好的生物相容性和易于降解等特点。Liu 等[14]用自组装合成的多肽/肝素水凝胶共递送抗肿瘤坏死因子-α 中和抗体和肝细胞生长因子，将其注射到缺血/再灌注诱导的小鼠 AKI 模型中，结果显示自组装肽-药物水凝胶组在减少炎症和细胞凋亡、改善肾功能和肾小管再生方面的疗效优于单独使用肽水凝胶或游离药物，从而减少了缺血/再灌注小鼠的慢性肾纤维化。Wang 等[15]提出通过自组装肽水凝胶与干细胞治疗相结合的策略修复 AKI 后肾组织功能，萘（naphthalene, Nap）共价连接至短 D 型肽（Nap-DFDFG），以提高酶的稳定性，然后将 Nap-DFDFG 共价连接到生物活性基序胰岛素样生长因子-1 的 C 结构域（insulin-like growth factor-1C, IGF-1C）的 N 端，产生超分子自组装多肽，通过加热冷却的方法，这种肽出现了典型的 β 片构象，增加了对 IGF-1 受体的亲和力，介导了优越的生物活性。在小鼠 AKI 模型中，β-IGF-1C 水凝胶和人胎盘来源 MSC 的共移植有助于损伤后的内源性再生，并促进血管生成，从而导致肾功能的恢复。
1.6 壳聚糖
壳聚糖来源自甲壳素，是一种由随机分散的 β-1, 4-糖苷键连接的重复单元 N-乙酰基-D 葡糖胺和 D-葡糖胺组成的线性多糖，是地球上第二丰富的天然生物聚合物，具有生物相容性、生物降解性、微生物耐药性、无毒性和低成本等优点。壳聚糖基材料易于化学改性修饰，能够制备出具有 pH 响应或者温度响应相变的智能水凝胶。Gao 等[16]制备了温敏氯化壳聚糖（thermosensitive chitosan chloride, CSCl）水凝胶作为可注射支架材料，负载脂肪来源的 MSC（adipose derived MSC, ADMSC）之后注入缺血/再灌注诱导的大鼠 AKI 模型，结果表明：CSCl 水凝胶可提高移植物 ADMSC 的保留率和存活率，而 CSCl 水凝胶可提高宿主肾细胞的增殖活性，减少宿主肾细胞的凋亡；在第 4 周时，使用 ADMSC 组的 CSCl 水凝胶的肾功能、微血管密度和肾小管细胞增殖均有显著改善。由此可见，应用热敏 CSCl 水凝胶作为 ADMSC 递送到肾区的支架，可以解决 AKI 细胞移植的主要障碍。因此，CSCl 水凝胶是一种治疗 AKI 的潜在细胞载体。
1.7 透明质酸（hyaluronic acid, HA）
HA 是一种相对高分子量的非硫酸糖黏多糖，由重复单位（β-1, 4）连接的 D-葡糖醛酸和（β-1, 3）连接的 N-乙酰葡糖胺组成。它广泛分布于成年哺乳动物体内，包括结缔组织、滑膜液和玻璃体。HA 是 ECM 的重要成分，对细胞生长、血管生成、胚胎发育、伤口愈合、基质组织和形态发生至关重要。HA 具有不黏附性、良好的生物相容性、亲水性和生物降解性等显著特性。Han 等[17]开展了 HA 水凝胶辅助 MSC 治疗双侧或单侧缺血/再灌注肾损伤诱导小鼠 AKI 的实验，结果显示：与未接受 MSC/HA 治疗的对照组相比，损伤后 1 个月后，MSC/HA 治疗组显著降低了尿中性粒细胞明胶酶脂质运载蛋白水平；对肾脏蛋白质组的分析显示，在 MSC/HA 处理的动物中，ECM 重塑减少，与假蛋白质组高度重叠；肾包膜下单侧 MSC/HA 可改善细胞对损伤组织的定位。
2 化学合成类水凝胶
化学合成类水凝胶是一类能够在水中溶胀并保留水分的化学合成高分子材料。合成水凝胶的例子包括聚乙二醇（polyethylene glycol, PEG）、聚乙烯醇、聚（富马酸丙烯-共乙二醇），具有生物相容性、凝胶形成能力，适用于组织工程的应用。
PEG 是一种常见的亲水聚合物，因其对活组织无毒、优异的抗蛋白质吸附能力和易于修饰，被认为是细胞培养的理想候选物。它相对较低的蛋白质吸附能力，一方面阻止了不被希望发生的细胞-基质黏附作用，另一方面也阻止了这种物质与细胞的任何相互作用，这在介导细胞生长和信号传导中起着重要的指导作用。Tsurkan 等[18]构建了由多臂 PEG-肝素水凝胶微米颗粒负载碱性成纤维细胞生长因子（basic fibroblast growth factor, bFGF）和小鼠表皮生长因子（epidermal growth factor, EGF）的药物缓释放体系，为了研究该体系对肾损伤的修复效果，将负载 EGF 或 bFGF 的水凝胶注射到甘油诱导的横纹肌溶解引起的实验性 AKI 小鼠的左肾囊下，在注射肾和未注射对侧肾中测量增殖肾小管上皮细胞的数量，实验结果表明，与未负载生长因子的对照组水凝胶相比，递送生长因子的水凝胶组诱导了肾细胞增殖的显著增加。
合成水凝胶是组织工程的未来方向，具有定制理想的细胞培养基质的可能性。然而，它们的生物活性特性仍需得到妥善解决。一般来说，细胞在微环境中需要促进增殖和分化的生化线索和信号，才能充分发挥功能。例如，肾细胞对生物活性物质的存在反应良好，如胶原蛋白和层粘连蛋白，这两种物质在健康的肾脏组织中都是不可或缺的。可以考虑的其他类型的生物分子还有精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸肽和血管内皮生长因子，分别可以用于改善细胞在底物上的黏附性和促进肾小球内皮细胞血管化。
尽管目前的研究还存在一些局限性，如对某些材料的长期保留和力学特性的评估不足，但随着多学科交叉研究的不断深入发展，合成水凝胶在肾脏组织工程中的应用前景越来越广阔。未来的研究需要进一步探索如何通过掺入特定化合物来优化水凝胶的生物相容性和生物活性，从而实现更高效的细胞-基质黏附作用和更好的肾脏再生修复。
3 复合水凝胶
天然水凝胶和合成水凝胶都有各自的优缺点（表1）。为了克服传统单组水凝胶的固有缺点，研究人员致力于将多种聚合物结合形成复合水凝胶。在这方面，水凝胶可以具有一些特别理想的特性，以更好地模拟天然微环境。一般来说，这些组合可以分为 2 种类型：① 2 种或 2 种以上成分的混合物，各自可以单独形成水凝胶；② 至少 1 种材料不能单独形成水凝胶。最近的研究报道，复合水凝胶在增强骨髓 MSC 的移植和存活方面显示出惊人的效力，从而加速了肾功能的恢复[19]。然而，由于这些水凝胶用于 AKI 治疗的研究相对较新，在肾脏中的表现只有少量的数据，因此仍需要对它们的体内活性和安全性进行进一步的研究。
表1
各类型水凝胶材料的性质及其在 AKI 治疗中的用途
4 结语
天然水凝胶、合成水凝胶及复合水凝胶在用于治疗 AKI 的肾组织工程中有着各自独特的优势和用途。天然水凝胶具有良好的生物相容性和可生物降解的特性，来源丰富且价格相对低廉。例如，HA 和壳聚糖等天然高分子材料不仅具有免疫调节、抗菌、抗氧化等功能，还能通过自修复性能解决传统水凝胶易裂解破损的问题。这些特性使得天然水凝胶在生物医学领域，特别是在组织工程和再生医学中，具有广阔的应用前景。合成水凝胶则可以通过化学修饰、化学或物理交联等方式进行结构与性能的调控，用于满足多样的临床需求。复合水凝胶则有望结合天然水凝胶和合成水凝胶的优势，在模拟组织微环境的同时，具有更高的灵活性和多功能性。另外，在 AKI 的治疗中，水凝胶还常被用作载体向损伤部位递送药物、生长因子、干细胞等治疗因子，减轻组织的炎症损伤并促进肾脏的修复和再生。综上所述，水凝胶材料在 AKI 治疗领域具有巨大潜力，未来的应用研究还需要进一步探索水凝胶应用的安全性和稳定性，并通过对其物理与化学性能的优化，扩大其在疾病治疗与组织工程领域中的应用。
利益冲突：所有作者声明不存在利益冲突。
急性肾损伤（acute kidney injury, AKI）是一种因肾功能短时间内快速减退而发生的临床综合征，通常包括肾的组织结构损伤和功能丧失[1-2]。治疗 AKI 的传统方法主要包括支持性治疗和肾脏替代疗法，但这些方法往往伴随着高昂的医疗费用和潜在的药物毒副作用[3-4]。为应对这些挑战，研究人员正在探索更安全有效的 AKI 治疗方法。肾组织工程一直吸引着人们的广泛关注，科学家们正试图通过多种方式重建一个有功能的肾脏。这是一个相对前沿的领域，其设计通常会考虑以下几点：① 肾细胞的细胞生物学和潜在的生物材料可以为肾脏组织生长提供支撑；② 在生物相容性方面，不存在任何阻碍功能组织发育的副作用；③ 生物材料的制备应该力求精准，以便三维支架能够模拟肾脏细胞组织的天然结构。其他会考虑的方面，如通过材料改性和创建药物释放系统而诱导的增强生物相容性，为工程支架提供了额外的价值[5]。水凝胶是一类物理或者化学交联的高分子材料，具有高亲水性、良好的生物相容性，以及接近活组织的软力学特征，能够模拟肾脏的结构和功能，以实现高效的肾脏替代。高孔隙率水平、高比表面积、可降解让其有潜力成为治疗 AKI 的支架材料与药物递送载体材料[6]。本文总结了多种类型的水凝胶材料在肾组织工程中的应用，并对水凝胶治疗 AKI 的研究进展进行了综述和展望。
1 天然水凝胶
1.1 细胞外基质（extracellular matrix, ECM）
在生物系统中，ECM 不仅能够维持细胞结构的完整性，还是保持细胞动力学和功能的重要部分。ECM 组分主要有Ⅳ型胶原、层粘连蛋白、核原-1 和硫酸肝素蛋白聚糖。因为肾脏组织结构的复杂性，不同的肾组织部分的 ECM 组分也有所差异。利用从动物组织中提取出的 ECM 组分构建的水凝胶是一种天然的水凝胶材料，有着与 ECM 类似的理化特性，因此在促进细胞的黏附和迁移方面有着得天独厚的优势。从肾脏中提取天然 ECM 制备水凝胶的方法如下所述[7]：首先用表面活性剂十二烷基硫酸钠和 Triton X-100 洗掉所有细胞成分，留下的就只有 ECM，然后将其冻干和冷冻，即可用于制备水凝胶支架材料。Lih 等[8]把肾脏来源的 ECM 添加到含有氢氧化镁的三维聚乳酸-羟基乙酸共聚物支架中，设计了一款仿生水凝胶支架，实现了对肾小球组织的修复，恢复了肾功能，降低了炎症反应。在组织工程中，另外一个使用 ECM 的方法是发展生物墨水。例如，Ali 等[9]开发了光交联肾特异性 ECM 生物墨水用于肾组织生物打印，该生物墨水主要由可光固化的甲基丙烯酸改性的肾源 ECM 构成，并加入明胶、透明质酸、甘油等添加剂提升三维打印过程中的均匀性和稳定性。该生物墨水经光固化三维打印得到的水凝胶具备自然肾组织的结构和功能特征，为肾细胞的成熟和组织形成提供了特异性微环境，实现了较高的细胞存活和增殖率。
1.2 胶原蛋白
胶原蛋白是肾源 ECM 的主要组成成分。纯胶原蛋白具有优异的生物活性，尤其是Ⅰ型胶原蛋白。Wu 等[10]利用鱼鳔来源的胶原蛋白和抗纤维化硫酸软骨素衍生物进行物理交联和共价连接，制备了一款胶原蛋白基仿生水凝胶支架。通过调控胶原蛋白和硫酸软骨素衍生物的质量比，制备的水凝胶支架具有合适的力学强度、优良的热稳定性以及高生物相容性。体内实验表明，和对照组相比，该仿生水凝胶在部分肾切除的大鼠模型中招募了更多的天然肾细胞，降低了管状损伤，诱导了肾小管样组织的再生，恢复了肾代谢功能。
1.3 海藻酸盐
海藻酸盐主要来源于褐藻，是一种由 β-D-甘露醛酸和 C5 外聚体 α-L-月桂醛酸通过 1, 4-糖苷键连接形成的线性多糖。海藻酸盐具有优异的生物相容性和可调控的力学性能，并且有着类似于 ECM 的基质构象，其在组织工程中的应用受到广泛关注。因此，在肾组织工程中，海藻酸盐被用作一种细胞负载基质，可以模拟细胞外环境。Chu 等[11]用氯化钙溶液交联的脱细胞猪肾 ECM 和海藻酸盐水凝胶制剂，进行了体内和体外细胞治疗实验，利用大鼠肾祖细胞进行的体外细胞共培养实验表明，在细胞培养 7 d 时间内，添加 2% 的海藻酸盐的 ECM 具有显著促进细胞增殖的作用；在体内注射负载祖细胞的水凝胶，通过积累 M1 和 M2 巨噬细胞，刺激早期愈合，水凝胶在超过 21 d 后降解。Trouche 等[12]采用类似的策略，将间充质干细胞（mesenchymal stem cell, MSC）包裹在海藻酸盐微球聚 L-赖氨酸水凝胶作为移植物，用作细胞装载支架植入受损肾脏，微球在植入后的 25 d 内一直停留在肾组织内，未引起局部组织的炎症和纤维化，肾功能指标中的血浆肌酐和尿素浓度也没有显著变化。
1.4 明胶
明胶作为由动物胶原降解制得的生物蛋白大分子，具有优异的生物降解性及良好的生物相容性。Fu 等[13]用定制的人工肾胶囊和 MSC 装载的水凝胶治疗横纹肌溶解性诱导的 AKI，具体来说，通过三维建模和打印，设计和制造了具有与肾脏相同大小和形状的弹性胶囊，作为肾脏和细胞装载化学交联明胶基水凝胶（chemically cross-linked gelatin hydrogel, mTG-Gel）的外膜，体外实验表明，明胶基水凝胶良好的生物相容性保证了 MSC 的生存和增殖；在体内，将人工肾胶囊包裹在肾脏，然后通过人工肾蒂将含有 MSC 的 mTG-Gel 注射到损伤的肾组织中，结果显示，骨髓 MSC 在 mTG-Gel 中生长和分布良好，细胞增殖和多谱系特化不受影响；此外，被 MSC 负载 mTG-Gel 包裹的损伤肾组织可以维持肾功能，改善肾小管病变，减少细胞凋亡。综上所述，mTG-Gel 具有良好的生物相容性，可能是一种很有前途的骨髓 MSC 细胞生长载体。通过人工肾胶囊注射 mTG-Gel 能够安全、有效地将骨髓 MSC 输送到肾脏进行肾组织修复。这种策略不仅为 AKI 的治疗提供了一个有前途的肾替代方案，而且为其他器官的修复提供了一种通用的可行方法。
1.5 多肽
多肽水凝胶是由肽类分子经自组装形成的三维网络结构的水凝胶，具有高含水量、良好的生物相容性和易于降解等特点。Liu 等[14]用自组装合成的多肽/肝素水凝胶共递送抗肿瘤坏死因子-α 中和抗体和肝细胞生长因子，将其注射到缺血/再灌注诱导的小鼠 AKI 模型中，结果显示自组装肽-药物水凝胶组在减少炎症和细胞凋亡、改善肾功能和肾小管再生方面的疗效优于单独使用肽水凝胶或游离药物，从而减少了缺血/再灌注小鼠的慢性肾纤维化。Wang 等[15]提出通过自组装肽水凝胶与干细胞治疗相结合的策略修复 AKI 后肾组织功能，萘（naphthalene, Nap）共价连接至短 D 型肽（Nap-DFDFG），以提高酶的稳定性，然后将 Nap-DFDFG 共价连接到生物活性基序胰岛素样生长因子-1 的 C 结构域（insulin-like growth factor-1C, IGF-1C）的 N 端，产生超分子自组装多肽，通过加热冷却的方法，这种肽出现了典型的 β 片构象，增加了对 IGF-1 受体的亲和力，介导了优越的生物活性。在小鼠 AKI 模型中，β-IGF-1C 水凝胶和人胎盘来源 MSC 的共移植有助于损伤后的内源性再生，并促进血管生成，从而导致肾功能的恢复。
1.6 壳聚糖
壳聚糖来源自甲壳素，是一种由随机分散的 β-1, 4-糖苷键连接的重复单元 N-乙酰基-D 葡糖胺和 D-葡糖胺组成的线性多糖，是地球上第二丰富的天然生物聚合物，具有生物相容性、生物降解性、微生物耐药性、无毒性和低成本等优点。壳聚糖基材料易于化学改性修饰，能够制备出具有 pH 响应或者温度响应相变的智能水凝胶。Gao 等[16]制备了温敏氯化壳聚糖（thermosensitive chitosan chloride, CSCl）水凝胶作为可注射支架材料，负载脂肪来源的 MSC（adipose derived MSC, ADMSC）之后注入缺血/再灌注诱导的大鼠 AKI 模型，结果表明：CSCl 水凝胶可提高移植物 ADMSC 的保留率和存活率，而 CSCl 水凝胶可提高宿主肾细胞的增殖活性，减少宿主肾细胞的凋亡；在第 4 周时，使用 ADMSC 组的 CSCl 水凝胶的肾功能、微血管密度和肾小管细胞增殖均有显著改善。由此可见，应用热敏 CSCl 水凝胶作为 ADMSC 递送到肾区的支架，可以解决 AKI 细胞移植的主要障碍。因此，CSCl 水凝胶是一种治疗 AKI 的潜在细胞载体。
1.7 透明质酸（hyaluronic acid, HA）
HA 是一种相对高分子量的非硫酸糖黏多糖，由重复单位（β-1, 4）连接的 D-葡糖醛酸和（β-1, 3）连接的 N-乙酰葡糖胺组成。它广泛分布于成年哺乳动物体内，包括结缔组织、滑膜液和玻璃体。HA 是 ECM 的重要成分，对细胞生长、血管生成、胚胎发育、伤口愈合、基质组织和形态发生至关重要。HA 具有不黏附性、良好的生物相容性、亲水性和生物降解性等显著特性。Han 等[17]开展了 HA 水凝胶辅助 MSC 治疗双侧或单侧缺血/再灌注肾损伤诱导小鼠 AKI 的实验，结果显示：与未接受 MSC/HA 治疗的对照组相比，损伤后 1 个月后，MSC/HA 治疗组显著降低了尿中性粒细胞明胶酶脂质运载蛋白水平；对肾脏蛋白质组的分析显示，在 MSC/HA 处理的动物中，ECM 重塑减少，与假蛋白质组高度重叠；肾包膜下单侧 MSC/HA 可改善细胞对损伤组织的定位。
2 化学合成类水凝胶
化学合成类水凝胶是一类能够在水中溶胀并保留水分的化学合成高分子材料。合成水凝胶的例子包括聚乙二醇（polyethylene glycol, PEG）、聚乙烯醇、聚（富马酸丙烯-共乙二醇），具有生物相容性、凝胶形成能力，适用于组织工程的应用。
PEG 是一种常见的亲水聚合物，因其对活组织无毒、优异的抗蛋白质吸附能力和易于修饰，被认为是细胞培养的理想候选物。它相对较低的蛋白质吸附能力，一方面阻止了不被希望发生的细胞-基质黏附作用，另一方面也阻止了这种物质与细胞的任何相互作用，这在介导细胞生长和信号传导中起着重要的指导作用。Tsurkan 等[18]构建了由多臂 PEG-肝素水凝胶微米颗粒负载碱性成纤维细胞生长因子（basic fibroblast growth factor, bFGF）和小鼠表皮生长因子（epidermal growth factor, EGF）的药物缓释放体系，为了研究该体系对肾损伤的修复效果，将负载 EGF 或 bFGF 的水凝胶注射到甘油诱导的横纹肌溶解引起的实验性 AKI 小鼠的左肾囊下，在注射肾和未注射对侧肾中测量增殖肾小管上皮细胞的数量，实验结果表明，与未负载生长因子的对照组水凝胶相比，递送生长因子的水凝胶组诱导了肾细胞增殖的显著增加。
合成水凝胶是组织工程的未来方向，具有定制理想的细胞培养基质的可能性。然而，它们的生物活性特性仍需得到妥善解决。一般来说，细胞在微环境中需要促进增殖和分化的生化线索和信号，才能充分发挥功能。例如，肾细胞对生物活性物质的存在反应良好，如胶原蛋白和层粘连蛋白，这两种物质在健康的肾脏组织中都是不可或缺的。可以考虑的其他类型的生物分子还有精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸肽和血管内皮生长因子，分别可以用于改善细胞在底物上的黏附性和促进肾小球内皮细胞血管化。
尽管目前的研究还存在一些局限性，如对某些材料的长期保留和力学特性的评估不足，但随着多学科交叉研究的不断深入发展，合成水凝胶在肾脏组织工程中的应用前景越来越广阔。未来的研究需要进一步探索如何通过掺入特定化合物来优化水凝胶的生物相容性和生物活性，从而实现更高效的细胞-基质黏附作用和更好的肾脏再生修复。
3 复合水凝胶
天然水凝胶和合成水凝胶都有各自的优缺点（表1）。为了克服传统单组水凝胶的固有缺点，研究人员致力于将多种聚合物结合形成复合水凝胶。在这方面，水凝胶可以具有一些特别理想的特性，以更好地模拟天然微环境。一般来说，这些组合可以分为 2 种类型：① 2 种或 2 种以上成分的混合物，各自可以单独形成水凝胶；② 至少 1 种材料不能单独形成水凝胶。最近的研究报道，复合水凝胶在增强骨髓 MSC 的移植和存活方面显示出惊人的效力，从而加速了肾功能的恢复[19]。然而，由于这些水凝胶用于 AKI 治疗的研究相对较新，在肾脏中的表现只有少量的数据，因此仍需要对它们的体内活性和安全性进行进一步的研究。
表1
各类型水凝胶材料的性质及其在 AKI 治疗中的用途
4 结语
天然水凝胶、合成水凝胶及复合水凝胶在用于治疗 AKI 的肾组织工程中有着各自独特的优势和用途。天然水凝胶具有良好的生物相容性和可生物降解的特性，来源丰富且价格相对低廉。例如，HA 和壳聚糖等天然高分子材料不仅具有免疫调节、抗菌、抗氧化等功能，还能通过自修复性能解决传统水凝胶易裂解破损的问题。这些特性使得天然水凝胶在生物医学领域，特别是在组织工程和再生医学中，具有广阔的应用前景。合成水凝胶则可以通过化学修饰、化学或物理交联等方式进行结构与性能的调控，用于满足多样的临床需求。复合水凝胶则有望结合天然水凝胶和合成水凝胶的优势，在模拟组织微环境的同时，具有更高的灵活性和多功能性。另外，在 AKI 的治疗中，水凝胶还常被用作载体向损伤部位递送药物、生长因子、干细胞等治疗因子，减轻组织的炎症损伤并促进肾脏的修复和再生。综上所述，水凝胶材料在 AKI 治疗领域具有巨大潜力，未来的应用研究还需要进一步探索水凝胶应用的安全性和稳定性，并通过对其物理与化学性能的优化，扩大其在疾病治疗与组织工程领域中的应用。
利益冲突：所有作者声明不存在利益冲突。
