综述：用于椎间盘退变的先进水凝胶治疗学：天然与合成生物材料中工程化结构-功能特性

这篇综述系统总结了水凝胶在椎间盘退变(IVDD)治疗中的最新进展，重点探讨了天然/合成水凝胶的生物与材料特性，比较了各类水凝胶的优势与局限，并提出了未来优化生物活性材料应用的挑战与方向。文章详细阐述了IVD生理学、IVDD病理机制，以及水凝胶在机械支撑、生物相容性、药物递送等方面的突破性应用。

　　

椎间盘的生理与病理基础

作为人体最大的无血管组织，椎间盘(IVD)由外周纤维环(AF)、中央髓核(NP)和软骨终板(CEP)组成。NP富含II型胶原和蛋白聚糖，具有液压分布功能；AF通过I型胶原纤维抵抗弯曲和扭转力；CEP则是营养物质交换的主要通道。椎间盘退变(IVDD)作为腰痛(LBP)的主要病因，表现为ECM代谢失衡、细胞凋亡和炎症级联反应，目前临床仅能通过保守治疗或手术缓解症状。

水凝胶治疗的独特优势

水凝胶凭借高含水量和三维网络结构，成为IVDD治疗的理想选择：其机械性能可恢复椎间盘高度；生物相容性保护生物活性分子；降解产物无毒可代谢；尤其能模拟NP的高水合特性。通过pH响应、温度控制、光诱导等多重交联机制，水凝胶可实现精准的药物/细胞递送。

天然水凝胶的创新应用

透明质酸(HA)基水凝胶通过miR-124/CILP/TGF-β轴调节ECM代谢；胶原/明胶复合水凝胶具有形状记忆功能，能维持91%的含水量；藻酸盐通过Zn²⁺交联形成抗压强度达2.75MPa的仿生结构；壳聚糖/HA复合水凝胶通过羟基磷灰石-表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)纳米棒调控巨噬细胞M2极化。纤维蛋白水凝胶联合聚三亚甲基碳酸酯(PTMC)支架可实现纤维环缺损的力学-生物学双重修复。

合成水凝胶的突破进展

明胶甲基丙烯酰胺(GelMA)微球通过CaCO₃矿化层捕获H⁺中和酸性微环境；聚乙二醇(PEG)水凝胶通过MMP响应实现miR-29的两阶段递送抑制纤维化；聚己内酯(PCL)纤维支架仿生纤维环的力学性能（弹性模量8.3MPa）；聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)载血管内皮生长因子抑制剂可促进ECM合成。

ECM/脱细胞基质的前沿探索

软骨ECM修饰的水凝胶通过Sphk2过表达外泌体激活细胞自噬；NP脱细胞基质特异性诱导BMSC向NP样细胞分化；AF脱细胞基质搭载两性离子纳米粒可抑制神经长入。微流控技术制备的乳酸氧化酶-MnO₂纳米催化剂微球，可持续消耗局部乳酸。

挑战与未来方向

当前水凝胶面临力学性能与生物活性难以兼顾、细胞在缺氧/酸性环境中存活率低、小动物实验结果外推受限等挑战。未来需通过多尺度模拟优化材料强度，引入生物活性分子增强再生能力，并开展大动物长期实验验证安全性。特别需要解决高含水量导致的力学性能缺陷，以及强度-韧性难以平衡等材料学矛盾。