《Gels》：Hydrogels for Osteochondral Interface Regeneration: Biomaterial Types, Processes, and Animal Models
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本综述系统梳理了骨软骨界面（OCI）再生领域的研究进展，重点聚焦于水凝胶生物材料、支架加工技术及动物模型。文章指出，明胶、海藻酸盐、壳聚糖和透明质酸是研究最广泛的天然水凝胶，而3D打印和挤出成型等先进技术为构建仿生梯度结构提供了独特潜力。尽管兔子是目前最常用的动物模型，但未来临床转化亟需在具有临床相关缺损尺寸的大型动物中进行标准化验证。文章最后强调了开发力学增强、生物活性及连续梯度水凝胶的重要性，以加速骨软骨再生临床解决方案的转化。
1. 引言
骨软骨界面（Osteochondral Interface, OCI）是关节中连接软骨层与下方骨组织的关键过渡区域，其结构复杂且功能重要。由于该区域缺乏血管且细胞稀少，一旦发生退变或损伤，往往难以自行愈合，最终导致关节功能障碍。传统的微骨折、马赛克移植等手术方法效果有限，因此，利用组织工程方法进行再生修复成为了研究热点。
水凝胶支架因其高含水量、与细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）相似的结构以及可调节的生物化学和力学性能，被认为是模拟OCI的理想材料。它们能够为细胞提供三维生长环境，并模拟天然组织的粘弹性。然而，要实现临床转化，不仅需要选择合适的生物材料，还需要利用先进的加工技术来构建仿生结构，并在相关的动物模型中进行验证。
2. 用于OCI再生的水凝胶生物材料
天然水凝胶因其固有的生物相容性和生物活性，在OCI再生研究中占据主导地位。根据文献分析，使用频率最高的水凝胶依次为：
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明胶（Gelatin）：作为胶原蛋白的变性衍生物，明胶含有天然的细胞粘附位点，能促进软骨细胞和成骨细胞的附着与增殖。但其力学强度较弱且降解较快，常需与合成聚合物或纳米颗粒复合以增强性能。
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海藻酸盐（Alginate）：这种从褐藻中提取的多糖可通过二价阳离子进行温和的离子交联，形成三维支架。其生物相容性好，但缺乏细胞粘附域，通常需要与明胶等蛋白质共混或进行肽修饰。
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壳聚糖（Chitosan）：来源于甲壳素脱乙酰化，具有抗菌、止血特性，且结构与软骨ECM中的糖胺聚糖相似。但其溶解性差且对pH敏感，影响了其稳定性和可重复性。
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透明质酸（Hyaluronic Acid, HA）：作为滑液的主要成分，HA在调节细胞信号、促进软骨形成方面发挥关键作用。但其力学性能较弱且易被酶降解，常需交联或与其他聚合物复合。
此外，聚乙二醇（PEG）、寡聚（聚乙二醇富马酸酯）（OPF）和聚乙烯醇（PVA）等合成水凝胶也常作为杂化组分，用于调节力学性能和降解动力学。
尽管这些材料在研究中取得了进展，但一个关键的挑战在于如何形成“潮线（Tidemark）”——这是天然骨软骨组织中的一个重要结构。如果潮线未能形成，来自软骨下骨的血管可能会侵入关节软骨区域，最终形成力学性能较差的纤维软骨，而非透明软骨。
3. 水凝胶的加工技术
加工技术对于将生物材料塑造成具有特定结构和功能的支架至关重要。目前的研究中，加工技术主要被用于制造均质（Homogeneous, H）、分层（Layered, L）和梯度（Graded, G）结构。
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3D打印：是目前最常用的技术，能够实现精确的空间控制和多材料沉积，特别适合构建分层和梯度结构。然而，该技术在处理过程中缺乏对成分的混合能力，且受限于打印分辨率和材料粘度。
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挤出成型（Extrusion）：虽然目前应用较少，但具有巨大潜力。它允许多种材料的连续共挤出，并能创建成分或结构梯度，从而更接近地模拟天然OCI。通过精确控制进料速率和混合参数，可以生成矿物含量、刚度或生物活性信号的无缝过渡。
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浇铸与模塑：方法简单、成本低，但主要产生均质或双层结构，难以复制天然组织的梯度变化。
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冷冻干燥：可产生高度多孔的支架，有利于营养运输和细胞长入，但通常形成随机、力学性能较弱的架构。
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静电纺丝：能生成类似胶原纤维的纳米纤维支架，但纤维堆积致密会限制细胞浸润，且力学性能通常低于天然组织。
未来的发展方向是结合多种互补的制造方法，例如将3D打印或挤出成型与静电纺丝或冷冻干燥相结合，以平衡生物性能、力学功能和转化可行性。
4. OCI再生的动物模型
动物模型是连接实验室研究与临床应用的桥梁，为评估生物材料的安全性、功能性和再生潜力提供了生理环境。
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小型动物模型（如小鼠、大鼠）：通常用于早期研究，因其成本低、易于获得。但其关节尺寸和生物力学特性与人类差异较大，且其固有的愈合能力较强，可能高估了再生效果。
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兔子：是目前最常用的模型，在可用性、成本效益和生理相关性之间取得了平衡，其关节尺寸适合制造骨软骨缺损。
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大型动物模型（如猪、羊、狗、马）：提供了更接近人类关节的缺损尺寸、软骨厚度和负重环境，是转化研究的关键。然而，这些模型资源消耗大、研究周期长，且存在伦理和转化障碍。
选择动物模型时，需要在实验可行性与转化相关性之间取得平衡。为了确保跨研究结果的可比性和监管机构的接受度，使用标准化的缺损几何形状、一致的结局指标和长期随访至关重要。
5. 作者观点：新兴趋势、技术差距与转化要求
骨软骨再生领域正朝着设计多功能水凝胶的方向发展，这些水凝胶需平衡力学增强、生化功能和结构保真度。尽管3D打印和挤出成型等先进制造策略能够创建更接近天然OCI的梯度结构，但确保批次间的可重复性、无菌性和力学一致性仍是主要挑战。
从转化角度看，水凝胶基构建体的转化路径仍受到缺乏标准化临床前验证方案以及与良好生产规范（Good Manufacturing Practice, GMP）要求不明确的阻碍。验证方案应包括协调的力学测试、降解动力学以及在生理相关条件下的细胞-材料相互作用研究。
在监管方面，GMP准备度要求水凝胶的制造、交联、灭菌和包装过程得到良好控制、记录且可重复。材料必须符合ISO 10993生物相容性标准，并且生产的每一步都应遵循GMP合规程序。
6. 结论
本综述强调了水凝胶基生物材料和支架加工策略在骨软骨界面再生中日益增长的作用。明胶、海藻酸盐、壳聚糖和透明质酸是研究最广泛的水凝胶。加工技术应进行优化，以创建仿生结构，其中挤出成型和3D打印的结合有望带来更好的结果。尽管兔子仍是目前最常用的动物模型，但大型动物研究对于弥合转化鸿沟至关重要。未来的研究应聚焦于开发力学增强、生物活性及连续梯度的水凝胶，并通过大型动物模型中的标准化临床前验证，加速骨软骨再生临床解决方案的转化。
