水凝胶支架由于其高含水量、与天然软骨组织相似的粘弹性、能够保持软骨细胞表型、可原位成型减少外科手术复杂性等多方面优势，已成为一种较为理想的软骨组织工程支架材料。新一代的软骨组织工程水凝胶材料应针对关节软骨修复过程所存在的突出问题进行个性化设计并构建，使其具有智能性和功能性，能够有效的调控细胞行为和功能，主动参与损伤组织的修复过程，而不仅仅只为细胞提供暂时的三维支撑作用。因此了解组织修复过程中细胞与其三维微环境中各种物理的（几何结构、网络密度，力学参数等）和生物化学的（生长因子，活性多肽、激素药物等）各种刺激因子及它们之间的作用机制对新一代水凝胶支架材料的设计至关重要。

华南理工大学国家人体组织功能重建工程技术研究中心在软骨组织工程水凝胶材料方面开展了一系列研究。从水凝胶的结构、性能和功能上去模拟软骨细胞天然的细胞外基质微环境，从而促进关节软骨组织的再生与重建，为解决关节软骨组织修复这个世界难题提供了一条有效途径。

该中心曹晓东教授课题组将“点击化学”与水凝胶的功能化设计结合起来，成功设计并制备了多种具有不同性能和功能的水凝胶，具有良好的生物相容性，不仅可作为一种良好的软骨组织工程支架材料，也可以作为生物大分子或药物分子的载体。

利用Diels-Alder点击化学法制备的透明质酸/聚乙二醇复合水凝胶，由于点击化学的高效性使得该水凝胶具有良好的形变回复性和抗压疲劳特性（如图1所示），甚至可承受2000次以上的力学加载（Polym.Chem., 2014, 5,1082； Polym. Chem.,2014, 5, 5116），使得该水凝胶拥有关节软骨作为承载组织的抗压能力。

图1. （A）Diels-Alder点击化学法制备透明质酸/聚乙二醇复合水凝胶原理图。（B）水凝胶实物图，光学显微镜图片和SEM图片。（C）水凝胶在不同温度和不同配方下的凝胶化时间。（D）水凝胶循环加载4次后的应力应变曲线。（E，F）水凝胶循环加载2000次的形变和回复

在此工作的基础上，针对水凝胶植入软骨缺损部位后，不能与伤口形状完全吻合，也更不能与周围组织尤其是宿主软骨形成良好界面整合的这个缺陷，通过结Diels-Alder点击化学法和动态化学交联酰腙键，得到一种可注射成型的愈合型水凝胶（ACS Appl.Mater. Inter. 2015, 7, 24023）。该水凝胶不仅具有自身愈合的特性，而且还可与天然软骨组织形成良好的界面结合（如图2所示）。从而有望解决植入体在术后松动或脱落等不良问题。

图2. 基于点击化学交联的双交联水凝胶的自愈合特性，pH响应性及与软骨组织界面结合的特性

众所周知，在水凝胶中添加生长因子或者其他生物活性因子是维持水凝胶活性、调控细胞行为的重要手段，而目前关于生长因子与水凝胶之间的结合应用存在一些问题，比如物理包裹生长因子由于作用力弱，生子因子在培养过程中容易流失，无法实现生长因子的长久调控，更无法实现几种活性因子的空间协同作用。为了解决该难题，科研人员首次基于Diels-Alder和Thiol-ene正交点击化学法，结合紫外光刻技术，实现了三维水凝胶的空间图案化。成功的将RGD多肽引入三维水凝胶特定区域（ACS Macro Lett., 2015,4, 289）。且可以通过改变掩膜图案从而控制RGD多肽在水凝胶中的分布图案，控制紫外光的强度和曝光时间，可以控制引入分子的浓度和深度（如图3所示）。

图3. 正交点击化学法实现生物活性因子在三维水凝胶中的空间可控分布

上述研究工作得到了国家自然科学基金（No.21574045）项目的支持。

————来源：高分子凝胶前沿研究进展