综述：辣根过氧化物酶催化交联可注射水凝胶在骨修复与再生中的应用

这篇综述系统阐述了HRP（辣根过氧化物酶）介导的交联可注射水凝胶在骨组织工程中的前沿进展。文章重点解析了HRP/H2O2催化体系的反应机制，探讨了通过调节酶浓度、酚基含量等参数定制水凝胶凝胶时间、机械性能和生物安全性的策略，并综述了结合羟基磷灰石（HAP）、BMP-2（骨形态发生蛋白-2）等活性成分增强骨传导/诱导功能的复合支架设计，为开发兼具生物相容性和功能适配性的骨修复材料提供了理论依据。

　　

引言

每年因创伤、肿瘤或先天性疾病导致的骨缺损病例数以百万计。尽管骨组织具备自我修复能力，但临界尺寸（>2 cm或超过骨周径50%）的缺损仍需人工替代材料干预。传统自体/异体骨移植存在供体限制和免疫排斥问题，而基于HRP介导的可注射水凝胶因其仿ECM（细胞外基质）特性、微创注射成型能力及可控的生物学性能，成为骨再生领域的研究热点。

可注射水凝胶交联策略

水凝胶交联方法分为物理交联（温度/pH/离子响应）和化学交联（光交联/迈克尔加成/点击化学）。物理交联水凝胶易受环境干扰而稳定性差，化学交联虽机械性能优异但可能产生细胞毒性副产物。相比之下，HRP介导的酶催化交联在生理条件下高效触发酚基自由基耦合，兼具反应温和、无毒性副产物和性能可调三大优势。与其他酶（如转谷氨酰胺酶、酪氨酸酶）相比，HRP催化系统具有更快的凝胶速率和更广的底物适应性。

HRP催化机制与交联基质

HRP的活性中心为Fe(III)原卟啉IX，其催化循环包含H₂O₂氧化生成的Compound I/II中间体，每消耗1分子H₂O₂可产生2分子酚自由基。这些自由基通过C-C或C-O键交联聚合物-酚缀合物（如酪胺修饰的透明质酸、丝素蛋白），形成三维网络。天然聚合物（如甜菜果胶中的阿魏酰基）或合成聚合物经酚基化修饰后均可作为HRP交联基质。

水凝胶性能调控策略

• 凝胶时间：HRP浓度与凝胶速率正相关，而过高H₂O₂浓度会因过度氧化抑制反应。
• 降解行为：通过引入酯键/酶敏感键（如明胶中的胶原酶切割位点）实现可控降解。
• 机械强度：提升H₂O₂浓度可增加交联密度，使储能模量提高3-5倍，但需避免超过细胞耐受阈值（通常<2 mM）。
• 生物安全性：采用葡萄糖氧化酶（GOX）原位生成H₂O₂或利用硫醇自氧化可降低细胞氧化应激。

骨修复应用进展

骨传导性支架

掺入羟基磷灰石（HAP）或β-磷酸三钙（β-TCP）的HRP水凝胶显著改善骨整合。例如Zn/Sr共掺杂β-TCP与丝素蛋白复合支架，通过冰模板法调控孔隙结构，促进骨髓间充质干细胞（BMSCs）迁移和钙沉积。硅钙磷酸盐（SiCp）复合支架还能持续释放PFS肽，4周内使大鼠颅骨缺损区新生骨体积增加2.3倍。

骨诱导性功能化

• 生长因子负载：BMP-2/PRP-L（富血小板血浆裂解物）缓释系统通过Smad/MAPK通路激活成骨分化。实验显示，含BMP-2的透明质酸水凝胶植入小鼠股骨缺损后，ALP（碱性磷酸酶）和OCN（骨钙素）表达量提升4倍。
• 合成肽替代：钙积累肽（CAP）模拟骨桥蛋白胶原结合域，在凝胶-HPA支架中诱导PDLSCs（牙周膜干细胞）矿化，8周内完全修复大鼠颅骨临界尺寸缺损。
• 纳米材料复合：金纳米颗粒（GNPs）功能化N-乙酰半胱氨酸（NAC）后嵌入明胶水凝胶，使hASCs（人脂肪干细胞）的ALP活性提升80%，同时增强支架抗压强度（达15 kPa）。

挑战与展望

当前HRP水凝胶的机械性能（普遍<50 kPa）仍低于皮质骨（>100 MPa），且生长因子易失活。未来需结合3D打印技术构建仿生层级结构，并开发智能响应型交联系统（如pH/温度敏感型）。尽管面临临床转化挑战，HRP介导的可注射水凝胶在精准骨再生领域展现出广阔前景。