综述：明胶甲基丙烯酰（GelMA）水凝胶促进血管-成骨耦合的进展：从结构编程到外源性信号协同

《Journal of Functional Biomaterials》：Advances in GelMA Hydrogel-Enabled Angiogenic–Osteogenic Coupling: From Structural Programming to Exogenous Cue Synergy

　　

血管-成骨耦合 (Vascular–osteogenic coupling) 在骨再生中发挥核心调控作用，但在病理条件（包括衰老、缺血和慢性炎症）下常受损伤，这降低了骨修复效率。明胶甲基丙烯酰（GelMA）水凝胶结合了细胞外基质样生物活性、可调节机械性能以及与三维生物制造兼容的特性，已成为血管化骨再生中广泛使用的材料平台。从血管-成骨耦合的角度出发，研究人员重新整理并综合了基于GelMA的血管化骨再生方法，将现有策略分为三类：（i）内在材料设计，利用孔结构、微通道、动态网络和界面功能化引导血管向内生长；（ii）外源性生物活性递送，涉及生长因子、细胞外囊泡、细胞和无机离子以增强血管化；（iii）智能响应策略，包括ROS/pH响应系统、顺序释放和外部刺激，旨在再现骨修复过程中的动态微环境。本综述进一步比较了这些策略在证据水平、可重复性和转化潜力方面的表现。外源性递送系统目前拥有最强的临床前支持，但与剂量标准化、爆发性释放和长期安全性相关的问题仍未解决。内在材料编程研究较少，但可能更兼容制造一致性、灭菌和工程转化。相比之下，大多数刺激响应系统仍主要处于小动物或概念验证阶段。因此，未来的基于GelMA的系统应从增加功能复杂性转向提高可预测性、可重复性和临床可行性。成分明确且结构可控的GelMA复合材料，整合血管调控与机械支持，可能为血管化骨再生提供更现实的路径。

1. 引言
血管-成骨耦合（angiogenic–osteogenic coupling）在骨修复中起核心调控作用，但病理因素（如衰老、缺血和慢性炎症）会损害该耦合过程。明胶甲基丙烯酰（GelMA）水凝胶兼具细胞外基质样生物活性、可调机械性能和三维生物制造兼容性，已成为血管化骨再生的代表性材料平台。本文从血管-成骨耦合角度，将基于GelMA的策略归纳为三类：内在材料设计、外源性生物活性递送以及刺激响应/时空调控系统，并比较了其证据水平、可重复性和转化潜力。

2. 机制性综述
研究人员通过系统检索和逐步筛选，纳入以GelMA为主要材料平台、聚焦骨再生并包含血管化或成骨评估的研究。当前证据存在明显不平衡：外源性生物活性递送策略最为丰富，但依赖生长因子、细胞外囊泡等组分，面临剂量和安全性问题；内在材料编程策略研究较少，但在制造一致性上具有优势；刺激响应系统最贴近耦合的动态过程，但多处于概念验证阶段。

3. 内在材料编程
3.1 空间结构：促进早期血管向内生长
通过调控孔径、互连性和孔喉尺寸控制内皮细胞浸润和血管网络形成。例如，梯度冷冻制备的多孔GelMA低温凝胶微球在孔径接近15 μm时增强BMSC和HUVEC的黏附增殖及体内CD31/OCN表达。低浓度GelMA（5% w/v）形成较大孔隙，促进扩散和BMSC成骨分化。交联度和刚度影响细胞浸润深度和宿主免疫反应：高交联刚性基质促使促炎性巨噬细胞积累和纤维化包裹，而轻度交联基质利于细胞浸润和修复。空间分区设计（如两步光刻法）可部分解耦血管化与力学支持功能。

3.2 机械性能：支持内皮重排和吻合以稳定网络连接
基质刚度需在一定窗口内以支持早期出芽发展成连续三维血管网络。过软易塌缩，过硬限制细胞牵引和迁移。力学转导在骨再生中关键，调节刚度和粘弹性可调控成骨细胞功能。例如，海藻酸盐-GelMA基质弹性模量提高通过YAP核转位促进成骨。应力松弛策略引入动态共价键（如双网络动态生物墨水）促进内皮自组装和三维网络连接。GelMA/DNA双网络水凝胶结合动态粘弹性和可编程应力松弛，并通过适配体Apt19S和AptV招募成骨细胞和内皮细胞。

3.3 有序微结构：利用取向和通道改善网络形成和灌注可及性
各向异性纤维取向可引导内皮迁移和伸长，改善连接重塑。预成型微通道通过牺牲模板、打印或定向冷冻提供结构引导，加速内皮化和灌注建立。例如，热响应明胶牺牲模板结合双喷嘴3D打印构建无孔GelMA结构，溶解后形成可灌注通道，实现连续CD31+内皮单层。但结构引导策略在体内仍面临动态适应性和长期稳定性挑战。

3.4 化学特征
植入后细胞主要与材料表面快速形成的蛋白吸附层相互作用。强水合两性离子基团（如磷酸胆碱）稳定界面水合层并抑制蛋白吸附，调节早期免疫识别。低蛋白吸附界面减少纤维化反应并提高组织整合和血管密度。GelMA的化学界面功能化可调控蛋白吸附、黏附信号和免疫微环境反应，而无需依赖外源性因子释放。共价固定功能基团（如成骨肽、VEGF模拟肽）可稳定呈现生物活性信号，避免爆发释放。

4. 外源性生物活性递送
4.1 细胞和囊泡
GelMA的三维网络延长了所载细胞或囊泡的局部滞留和可控释放。例如，可注射磷酸化GelMA微球负载骨髓间充质干细胞（BMSCs）改善存活并协同增强血管化和成骨。外泌体模拟体HY-EMs负载GelMA后局部滞留延长，促进血管化骨再生。但细胞存活在缺血炎症环境中不稳定，外泌体存在异质性，且多数证据来自小型非承重动物模型。

4.2 生物大分子递送
GelMA递送平台设计用于延长生物大分子的信号滞留和释放。例如，封装冻干富血小板纤维蛋白（PRF）的GelMA可持续释放VEGF达21天；物理负载VEGF的GelMA/DNA双网络水凝胶实现14天约70%的持续释放；点击化学共价接枝双功能肽可实现长期释放。但释放曲线主要预定义于降解或扩散，缺乏阶段特异性和微环境响应性。

4.3 无机离子和纳米尺度递送
无机离子和纳米材料在GelMA中实现长期局部滞留和可控释放。例如，Ce³⁺负载多孔磷酸化GelMA微球促进BMSC成骨和内皮管形成；负载miR-21-5p的四面体DNA纳米结构（TDNs）在GelMA中持续释放增强血管化和成骨；CeO₂@PDA纳米颗粒与Mg²⁺共载的GelMA复合材料协同改善骨质疏松骨缺损微环境。但释放被动、长期生物安全性不确定，且多通路效应带来机制复杂性和可变性。

5. 刺激响应和时序编程系统
骨修复早期需控制炎症和氧化应激、恢复灌注，后期依赖血管成熟、基质矿化和成骨重塑。常规缓释系统难以满足阶段特异性需求。刺激响应和时空调控GelMA系统通过内源性或外源性触发（ROS、酸性pH、酶活性、光热效应、超声等）实现按需释放、降解或功能激活，并通过空间分区或顺序释放协调早期血管化和后期成骨成熟。代表性系统包括：NIR/pH双响应GelMA复合材料清除ROS并控制DFO和PO₄^3?释放；ROS响应GelMA降解释放METRNL；Zn/Ce纳米酶与Yoda1整合实现ROS清除和力学信号激活。时序编程系统如VEGF/GelMA与PCSK9/血管衍生ECM复合水凝胶实现差异化释放，时空梯度GelMA骨类器官通过快速降解释放DMOG进行早期预血管化。这些系统更贴近动态过程，但体内性能难以预测，多组分设计增加批次变异和工程难度。

6. 基于GelMA策略的关键综合比较
6.1 机制比较
内在材料编程依赖孔结构、微通道、动态网络和各向异性结构引导血管向内生长，结构可控性好但短期生物刺激有限。外源性生物活性递送直接促进内皮激活、血管化和成骨分化，但受限于剂量控制、释放动力学和长期安全性。刺激响应和时空调控系统通过ROS/pH响应、压电刺激或多阶段释放协调血管化和成骨成熟，但多组分设计和复杂触发条件增加转化难度。

6.2 证据水平比较
外源性递送临床前证据最丰富，模型从大鼠颅骨缺损扩展到骨质疏松股骨髁缺损、糖尿病股骨缺损，常用4-8周随访，但缺乏大型承重动物模型。内在材料编程证据相对有限，多限于体外和小型非承重颅骨缺损，评价依赖CD31、微血管灌注等，长期血管成熟证据不足。刺激响应系统证据仍主要来自体外和小动物概念验证，少数在兔股骨髁缺损验证，但大型动物长期数据缺乏。

6.3 转化比较
证据成熟度与机制复杂性并不平行：外源性递送体内证据最强，内在材料编程在工程转化上更现实，刺激响应系统机制先进但多为概念验证。当前最有希望的是中等复杂度的GelMA复合材料，具有明确组分、充分动物验证、稳定的血管化和成骨证据，并在制造一致性、机械适应性和长期安全性之间取得合理平衡。

7. 结论与未来展望
7.1 结论
GelMA水凝胶已成为血管化骨再生的代表性材料平台，当前研究已从单一促进成骨或血管化转向多维调控血管-成骨耦合。但证据水平存在明显不平衡：外源性递送临床前证据最丰富但长期安全性不足；内在材料编程证据基础较小但在制造一致性上优势明显；刺激响应系统最贴近动态过程但多处于概念验证阶段。未来应聚焦可预测性、可重复性和临床可行性，而非单纯增加功能复杂性。

7.2 未来展望
7.2.1 大型动物和承重验证
未来研究应转向羊、猪、狗等大型动物承重模型，评估血管灌注、界面整合、骨重塑和长期力学稳定性。GelMA更适合作为血管-成骨调控相与PCL、β-TCP、nHA等支撑结构整合。

7.2.2 长期生物安全性和降解匹配
长期生物安全评估应扩展到慢性炎症、免疫原性、降解产物代谢和纤维化反应。对于含细胞外囊泡、PRP或纳米材料的系统，需明确来源异质性和体内清除途径。降解行为应与血管向内生长和骨沉积匹配。

7.2.3 标准化剂量和释放动力学
外源性递送系统需明确VEGF、BMP-2、DMOG、离子、细胞外囊泡等的有效剂量、安全窗口、释放动力学和批次稳定性。顺序释放和刺激响应系统应证明在不同批次和灭菌条件下的可预测性。

7.2.4 GMP兼容制造和法规转化
未来的GelMA系统应早期考虑GMP制造、灭菌、储存和法规路径。3D打印系统需验证打印保真度和批次重复性；含活细胞或细胞外囊泡的系统需标准化来源追踪和质量控制；灭菌程序对GelMA交联、力学性能和生物活性的影响应系统评估。

7.2.5 转化路线图
短期建立血管化、成骨、降解、释放和力学的标准化评价体系；中期优先病理或承重缺损模型；长期需大型动物验证结合GMP制造和法规实施。不同策略分别优先：外源性递送聚焦剂量和释放标准化，内在材料编程强化可制造性和力学适应，刺激响应系统关注可重复性和临床可操作性。最终需同时优化生物学效能、工程可制造性和临床可行性。