一、水凝胶与生长因子
（一）生长因子概述
生长因子是一类对靶细胞增殖和分化有调节作用的多肽，是体内重要的信号分子，在调节生长发育、组织修复、肿瘤发生等多方面发挥重要作用。大多数生长因子由多种细胞分泌的长肽链或糖蛋白构成，这些肽链以内分泌、自分泌或旁分泌的形式与细胞表面特殊受体结合而发挥作用。生长因子种类繁多，用途广泛，见表13-1。
虽然有一些参与组织修复的生长因子已经得以确定，但是将它们应用于临床存在局限性，还面临着安全性和成本效益的问题，而导致这些问题最可能的原因是生长因子在应用时没有适当的递送系统。
（二）水凝胶概述
水凝胶（hydrogel）是一种具有亲水性的聚合物链网络体系，也被认为是一种胶态凝胶，其中水是分散介质。在具有网状交联结构的水溶性高分子中有一部分疏水残基和亲水残基，亲水残基与水分子结合，将水分子连接在网状内部，而疏水残基则遇水膨胀。水凝胶是高吸水性的（含水量可以超过90%），性质柔软，能保持一定的形状。由于其显著的水分含量，水凝胶非常类似于自然组织，也有相当程度的灵活性。
1894年，“水凝胶”一词第一次出现在文章中被大众所知晓。
表13-1 部分生长因子的作用部位和主要作用
凡是水溶性或亲水性的高分子，通过一定的化学交联或物理交联，都可以形成水凝胶。这些高分子按其来源可分为天然和合成两大类。天然的亲水性高分子包括多糖类（如淀粉、纤维素、海藻酸、透明质酸、壳聚糖等）和多肽类（如胶原、聚L-赖氨酸、聚L-谷胺酸等）。天然高分子具有更好的生物相容性、对环境的敏感性以及丰富的来源、低廉的价格，因而正引起越来越多的关注。但是天然高分子材料稳定性较差，易降解。合成的亲水高分子包括醇、丙烯酸及其衍生物类，如聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚N-聚代丙烯酰胺等。人工合成的水凝胶通常存在凝胶强度低、韧性差和吸水速度慢等缺点，无法满足使用的要求。研究者针对提高水凝胶的力学性能开展了大量的研究工作，开发了几类具有优异机械性能的新型水凝胶，如拓扑型水凝胶、双网络结构水凝胶、复合水凝胶、大分子微球复合水凝胶、疏水缔合凝胶和均一链结构水凝胶等，其中，复合水凝胶由于具有高强度、复合手段多样化的优点而受到广泛关注。
根据水凝胶大小形状的不同，分为宏观凝胶与微观凝胶，即微球；根据形状的不同，宏观凝胶又可分为柱状、多孔海绵状、纤维状、膜状、球状等，制备的微球又可分为微米级别及纳米级别。
根据水凝胶网络键合的不同，可分为物理凝胶和化学凝胶。物理凝胶是通过物理作用力，如静电作用、氢键、链的缠绕等形成的，这种凝胶是非永久性的，通过加热凝胶可将其转变为溶液，所以也被称为假凝胶或热可逆凝胶。许多天然高分子在常温下呈稳定的凝胶态，如k2型角叉菜胶、琼脂等；在合成聚合物中，聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）是一个典型的例子，经过冰冻融化处理，可得到在60℃以下稳定的水凝胶。化学凝胶是由化学键交联形成的三维网络聚合物，是永久性的，又称为真凝胶。
水凝胶的常用用途包括：①组织工程支架，当用作支架时，水凝胶能模拟细胞生长的三维微环境；②细胞培养，水凝胶涂层细胞培养板可用于细胞培养；③缓释给药系统；④用于清除坏死和纤维化组织；⑤响应于特定分子（如葡萄糖或抗原）的水凝胶可以用作生物传感器；⑥隐形眼镜（如硅水凝胶和聚丙烯酰胺）；⑦烧伤或其他难愈合伤口的愈合敷料，伤口凝胶能很好地帮助创造或维持潮湿的环境；⑧局部药物释放的“水库”，特别是离子药物，通过离子导入（见离子交换树脂）；⑨模拟动物的黏膜组织，用于药物传递系统黏膜黏着性的测试。
（三）包载生长因子的水凝胶研发进展
水凝胶在再生医学中是有前途的材料，这是由于它们具备亲水性、生物相容性和以受控方式释放生长因子的能力。对于其降解性能，可以通过设计引入环境敏感性断裂基团使其在特定环境因素刺激作用下发生凝胶网络断裂而实现。
在一项研究中，研究者开发了一种基于明胶用于生物活性血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）递送的水凝胶系统。研究人员对水凝胶制备过程进行了优化，使血管内皮生长因子功能性结合，同时防止其降解和变性，并对其在神经组织工程中的适用性进行了表征。结果显示，基于明胶用于生物活性血管内皮生长因子递送的水凝胶系统适用于神经组织工程。另一个应用广泛的领域是骨软骨组织再生。来自多种天然或合成聚合物的水凝胶支架都可以用作递送生物化学因子的载体，而生物化学因子刺激组织缺陷部位内宿主祖细胞的软骨形成分化。另一项研究基于复合水凝胶及其在骨软骨组织再生的生长因子传递中的作用，制备了一种模仿天然骨软骨组织结构、可生物降解的复合水凝胶材料。结果显示，双层复合水凝胶递送胰岛素样生长因子-1能影响骨软骨组织修复。另一项研究表明，胰岛素样生长因子-1和骨形态发生蛋白质-2在不同层次的双递送可协同增强软骨下骨形成，但对软骨修复影响不大。这项研究的结果有助于启发对递送多种生长因子的骨软骨组织再生材料的三维空间设计。