气管损伤超过成人气管总长度1/2或儿童气管总长度的1/3时，气管切除后因吻合口张力过大，端端吻合较为困难，需行气管替代治疗。随着组织工程技术的兴起，组织工程气管替代物具有十分广阔的应用前景。水凝胶高度含水，具有良好的三维网络结构，且生物相容性好、免疫原性低、可生物降解和可修饰，在组织工程领域得到了广泛应用。本文就近年来组织工程气管中常用的各类水凝胶的特点、优缺点和效果等进行综述，并对水凝胶在组织工程气管领域的后续应用进行探讨与展望。
外伤、炎症、肿瘤和先天性疾病等会造成不同程度的气管损伤，若引发气管狭窄或气管软化则需手术切除病变气管。当成人气管切除长度大于1/2或儿童气管切除长度大于1/3时，吻合口张力过大，端端吻合较为困难，需移植气管替代物行气管重建[1]。目前气管重建方式主要有同种异体移植、自体组织移植和组织工程气管移植。同种异体移植物供体稀缺和免疫排斥问题尚未解决，自体组织移植虽然没有免疫排斥反应，但是几十年来研究人员对各种自体组织进行了自体移植尝试，如带蒂肌瓣、心包组织、网膜组织等，发现单独的组织移植达不到维持气管管腔通畅的力学要求，对于最合适的自体移植组织类型仍没有达成共识[2]。气管组织工程是应用组织工程技术实现气管的再生，理论上可以完美解决长段气管损伤问题，主要由种子细胞、生长因子和支架三个要素组成[3]。水凝胶因其独特的理化性质和生理特性，作为支架在组织工程气管领域得到广泛应用。本文就近年来常用于组织工程气管领域的不同水凝胶的特点、优缺点和效果等进行综述，并对未来水凝胶应用于组织工程气管领域面临的问题进行探讨。
1 水凝胶概述
水凝胶是以水为分散介质的凝胶，由含水量高且高度多孔的亲水性聚合物组成，结构类似于天然细胞外基质，具有良好的生物相容性、生物降解性和机械强度，其3D网络不仅为细胞提供了良好的锚定位点，可以用来封装细胞，还能产生相关的生物学信号，有效促进细胞增殖和分化[4]。水凝胶独特的理化性质使其在生长因子、营养物质和药物的传递中发挥重要作用，同时水凝胶可以在特定刺激如温度、pH以及离子强度等条件下进行调整，以满足生物医学不同的需求[5]。支架在组织工程气管中具有十分重要的作用，不仅要具备足够的强度以维持通气功能，同时还需要为种子细胞的生长提供微环境，从而促进移植物的软骨化、血管化和上皮化。水凝胶构建的支架以其特有的优势在组织工程气管中具有不可忽视的作用。
2 水凝胶在组织工程气管中的应用
2.1 胶原蛋白/明胶（collagen/gelatin）
胶原蛋白作为哺乳动物含量最高的蛋白质，广泛存在于各种结缔组织如骨、软骨、肌腱、血管、皮肤、角膜等，是细胞外基质的主要成分，不仅为细胞生长提供机械支撑，并且在细胞发育过程中具有调节作用。胶原蛋白作为机体内源性物质，具有含量高、生物相容性好、易加工、易与其他材料结合、免疫原性低及在体内易吸收等性能[6]。但是其在体内降解速率过快并且力学性能较差，研究者常通过化学交联[7]或者光交联[8]方法来进行改性以提高其力学性质和稳定性。明胶是胶原蛋白的单链衍生物，是胶原蛋白适度水解和热变性的产物，因此明胶的分子组成与胶原蛋白非常相似，但明胶在具有生物相容性、可降解性、低抗原性和低毒性的同时更容易获得，经济成本更低，因此明胶相较于胶原蛋白应用更为广泛[9]。Xu等[10]将邻-硝基苄基衍生物接枝到透明质酸上，再与明胶相结合，获得的光交联复合水凝胶具有良好的力学性能，作为兔耳廓软骨细胞载体与脱细胞气管基质结合后软骨再生明显。甲基丙烯酰化明胶（GelMA）是明胶与甲基丙烯酸酐直接反应合成的可进行光交联的水凝胶，其优异的生物学性能及可调节的物理性能在组织工程气管领域被广泛应用[11]。Tao等[12]设计出一种由GelMA、β-乳球蛋白纳米颗粒、葡聚糖和软骨细胞组成的纳米颗粒稳定型乳化生物墨水，用基于数字光处理的3D生物打印技术将其打印成具有多孔结构的仿生气管，软骨细胞的增殖和扩散在该支架中得到增强，裸鼠皮下移植显示该支架可以实现软骨再生，为3D打印组织工程气管提供了新的材料。尽管目前胶原蛋白、明胶或其衍生物能满足一定的组织工程需要，但制造具有适当物理和化学性质以及复杂3D结构的支架仍是重大挑战，还需学者们进一步研究。
2.2 丝素蛋白（silk fibroin）
丝素蛋白来源于家蚕丝纤维，作为一种天然蛋白质生物聚合物，丝素蛋白具有良好且可被调节的机械性能、优异的生物相容性、低免疫原性及可控的体内降解速率。丝素蛋白溶液可以通过物理非共价交联和化学共价交联的方式成胶，也可以采用物理化学双交联、构建双聚合网络丝素蛋白水凝胶或与其他水凝胶混合等方式来获得更高强度的水凝胶[13]。Li等[14]利用丝素蛋白和普鲁兰多糖（pullulan，PL），在辣根过氧化物酶和过氧化氢存在的生理条件下，成功开发出了一种酶交联的生物相容性水凝胶，并可以通过改变PL的浓度来调节水凝胶的各种物理化学性能，兔骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）封装实验展示了该水凝胶具有良好的细胞相容性。Liu等[15]利用丝素蛋白相对良好的机械性能，采用溶液铸造法制备了丝素管和聚己内酯（polycaprolactone，PCL）环，经冷冻干燥后，用静电纺丝技术将PCL环以3 mm的间隔固定在丝素管上，成功构建出了丝素-PCL复合仿生气管支架，经体外实验评价和体内血管化实验证实了这种多孔生物可降解仿生支架在组织工程气管领域应用的可行性。Nematollahi等[16]利用冷冻铸造技术构建了用于气管组织工程的戊二醛交联的壳聚糖丝素蛋白支架，通过调整冷冻速率和戊二醛的浓度，筛选出具有与人气管相似的力学性能和合适的生物降解性的支架进行体外软骨细胞培养实验，证实了这种无毒、具有抗拉强度和弹性模量的多孔结构支架能促进软骨细胞增殖，可用于气管再生。
2.3 藻酸盐（alginate）
藻酸盐是一种天然多糖，来源于褐藻、海带和马尾藻等藻类以及几种细菌菌株。藻酸盐无毒，来源丰富，并具有良好的生物相容性和可降解性[17]。在二价离子的存在下，藻酸盐可以快速成胶，可用于封装细胞制成生物墨水[18]。Park等[19]将海藻酸钠与氯化钙溶液混合再添加磷酸盐缓冲液（phosphate buffer saline，PBS）制成藻酸盐水凝胶，并用该水凝胶封装兔自体鼻上皮细胞和耳软骨细胞，随后将其联合PCL采用3D打印制成多层仿生气管。体外培养显示细胞生长良好，支架植入体内3、6、12个月检查结果表明，移植物上皮再生明显、有新生软骨生成且管腔无明显狭窄，体现了藻酸盐良好的生物相容性，在组织工程领域有广阔的研究前景。
2.4 壳聚糖（chitosan）
壳聚糖是一种线性多糖，由D-氨基葡萄糖和N-乙酰-D-氨基葡萄糖以β-（1，4）糖苷键连接起来，可采用碱性物质如氢氧化钠等从虾和蟹等甲壳类动物的壳中获得。壳聚糖结构上与细胞外基质中的糖胺聚糖相似，具有良好的生物相容性、生物降解性、无毒、抗炎、抗菌特性，因此是一种非常具有潜力的生物材料[20]。但用作组织工程气管的支架材料，单纯壳聚糖水凝胶的机械强度还不够。Chen等[21]采用冻融法制备了一种柠檬酸修饰的壳聚糖（citric acid-modified chitosan，CC）水凝胶，扫描电镜观察和压缩实验测量表明，CC水凝胶具有互联的多孔结构和更好的力学性能；细胞学试验显示，CC水凝胶可促进BMSCs向软骨分化，以上表明该水凝胶在构建软骨化组织工程气管支架中具有潜力。Kim等[22]利用静电纺丝技术制备出一种壳聚糖纳米纤维膜（chitosan-based nanofiber membrane，CHIM），将其整合在由多孔PCL支架和包裹软骨细胞的胶原蛋白水凝胶组成的3D打印仿生气管周围；大鼠皮下移植显示，支架周围CHIM的保护可增强仿生气管的软骨再生，为促进组织工程气管的软骨化提供了新思路。O'Leary等[23]采用静电纺丝技术构造了一种负载有全反式维甲酸（all-trans retinoic acid，atRA）的纳米纤维PCL-壳聚糖支架，体外细胞培养实验结果显示，该支架不仅具有良好的生物相容性而且充分发挥了atRA的增强黏液纤毛上皮功能化的能力，体现了该支架作为一种新的气管组织工程生物材料的巨大潜力。
2.5 透明质酸（hyaluronic acid，HA）
HA是一种广泛分布于皮肤和关节软骨中的天然糖胺聚糖，由D-葡萄糖醛酸和N-乙酰葡萄糖胺单元组成，是细胞外基质的重要组成部分；HA及其衍生物因其优异的生物相容性、生物降解性、可吸收性以及其作为自体成分的生理特性用做组织工程支架具有巨大的潜力[24]。Hong等[25]将提取自兔耳廓的软骨细胞置于纤维蛋白-HA复合水凝胶中培养，4周后显示该水凝胶中软骨基质标记物表达水平明显升高，制成气管补片后移植到兔气管缺损处，术后1、3、6个月检测结果显示手术部位被纤毛上皮完全覆盖，无炎症反应，表明该水凝胶在促进上皮再生和软骨化方面具有巨大的潜力，但研究者们发现其实现软骨细胞长期存活和形成具有满意机械性能的软骨能力有限，还需进一步改进。Hong等[26]将负载有兔关节软骨细胞的纤维蛋白-HA水凝胶注射到聚乙丙交酯支架中，体外培养4周后移植入兔体内气管缺损部，分别在术后6周和10周进行评估，结果显示该复合支架成功实现了气管窗型缺损的重建。Choi等[27]将多巴-HA偶联物与3D打印的聚己内酯管状气管支架在PBS中共培养2 d，制成含HA涂层的气管支架，体外接种MSCs培养显示HA涂层可促进MSCs的黏附，随后将该支架植入家兔体内行气管置换，结果显示术后气道上皮再生明显且无狭窄发生，以上结果表明具有优异生物相容性的HA在气管组织工程的应用具有广阔前景。
2.6 硫酸软骨素（chondroitin sulfate）
硫酸软骨素是一种天然的复杂大分子硫酸盐多糖，也属于糖胺聚糖类，作为细胞外基质的主要成分参与维持和保护细胞外微环境，同时它也是一种多功能信号分子和调节因子，直接或间接影响细胞的信号传导功能，参与许多生理活动[28]。硫酸软骨素具有良好的生物相容性、生物降解性、低细胞毒性，以及独特的生物活性，如抗氧化性、抗炎性、免疫调节活性等，使得其在输送系统和组织工程领域被广泛研究。Xu等[29]构建了硫酸软骨素和Ⅱ型胶原蛋白的复合支架，并接种BMSCs，置于软骨培养基中12周，成功体外培养出了仿生软骨环，展现了硫酸软骨素在气管组织工程领域的应用有巨大潜力。但由于硫酸软骨素机械性能有限，Yu等[30]将具有生化信号作用的明胶，促蛋白多糖和Ⅱ型胶原蛋白分泌的硫酸软骨素，促细胞增殖和迁移的透明质酸，以及可提高支架的柔韧性和粘弹性的聚乙烯醇相结合，利用单项冷冻干燥法模拟气管软骨细胞外基质的组成和结构，制备了具有定向微管结构和良好亲水性能的明胶-硫酸软骨素-HA-聚乙烯醇支架。研究结果显示，该支架表现出与天然软骨相似的压缩弹性模量，并且可以促进细胞的黏附与增殖，体现了良好的生物相容性。
2.7 聚乙二醇（poly(ethylene glycol)，PEG）
PEG是环氧乙烷的低聚物，具有可调节的机械性能，并且易于控制支架的结构和化学成分。单纯PEG水凝胶具有生物惰性，不利于细胞黏附，因此研究者常将PEG与其他水凝胶结合。Huo等[31]设计了一种新型生物墨水，通过八臂聚乙二醇琥珀酸酯（8-PEG-NSH）将血管化纤维环复合水凝胶与软骨环复合水凝胶紧密结合，成功构建出了仿生软骨-血管化纤维组织整合气管。Chang等[32]在PEG/PCL共聚物中加入光引发剂制备出可光固化的PEG/PCL水凝胶，将兔耳廓软骨细胞和BMSCs封装在该水凝胶中，体外培养2周后发现，耳廓软骨细胞中成软骨基因表达明显上调，体外培养4周后，封装细胞的PEG/PCL水凝胶中蛋白多糖和Ⅱ型胶原等软骨基质标记物的表达水平均增高。该研究显示出PEG/PCL水凝胶具有促软骨化能力，可用于构建具有良好软骨再生能力的组织工程气管支架。
3 总结与展望
本文综述了水凝胶在组织工程气管领域的应用，显示了水凝胶具有生物相容性好、体内可降解、免疫原性低等性能。研究者利用其3D网络结构，进行封装细胞、负载药物或生长因子，以及通过3D生物打印、静电纺丝、冷冻干燥等技术构建仿生气管支架并取得了优异的成果。关于水凝胶对细胞生物学行为的影响，Zhang等[33]发现动态调节水凝胶的相关机械特性，可通过作用于黏着斑激酶信号通路、影响核纤层蛋白A/C在细胞中的表达和分布等调节人间充质干细胞的分化。但水凝胶促进细胞黏附和增殖的相关机制还有待更深入的研究。其次，由于气管结构的特殊性，要求支架具有维持管腔通畅的能力，而目前应用于气管组织工程的水凝胶仍存在力学性能以及耐久性较差等问题导致达不到理想的效果，因此需要进一步探究。此外，在组织工程气管领域，术后移植物的软骨化、血管化、上皮化是必须要解决的问题，因此未来的水凝胶能否同时具有解剖学功能和生理学功能，值得进一步探索。综上所述，水凝胶在组织工程气管领域具有光明前景，有望实现临床转化。
利益冲突：无。
作者贡献：陈文轩负责文献分析，文章初稿撰写与修改；单一波、孙飞和沈志明负责文章构思、设计和修改；卢毅、朱剑炜和袁磊负责文献搜集整理和分析；史宏灿负责文章审阅和基金资助。
外伤、炎症、肿瘤和先天性疾病等会造成不同程度的气管损伤，若引发气管狭窄或气管软化则需手术切除病变气管。当成人气管切除长度大于1/2或儿童气管切除长度大于1/3时，吻合口张力过大，端端吻合较为困难，需移植气管替代物行气管重建[1]。目前气管重建方式主要有同种异体移植、自体组织移植和组织工程气管移植。同种异体移植物供体稀缺和免疫排斥问题尚未解决，自体组织移植虽然没有免疫排斥反应，但是几十年来研究人员对各种自体组织进行了自体移植尝试，如带蒂肌瓣、心包组织、网膜组织等，发现单独的组织移植达不到维持气管管腔通畅的力学要求，对于最合适的自体移植组织类型仍没有达成共识[2]。气管组织工程是应用组织工程技术实现气管的再生，理论上可以完美解决长段气管损伤问题，主要由种子细胞、生长因子和支架三个要素组成[3]。水凝胶因其独特的理化性质和生理特性，作为支架在组织工程气管领域得到广泛应用。本文就近年来常用于组织工程气管领域的不同水凝胶的特点、优缺点和效果等进行综述，并对未来水凝胶应用于组织工程气管领域面临的问题进行探讨。
1 水凝胶概述
水凝胶是以水为分散介质的凝胶，由含水量高且高度多孔的亲水性聚合物组成，结构类似于天然细胞外基质，具有良好的生物相容性、生物降解性和机械强度，其3D网络不仅为细胞提供了良好的锚定位点，可以用来封装细胞，还能产生相关的生物学信号，有效促进细胞增殖和分化[4]。水凝胶独特的理化性质使其在生长因子、营养物质和药物的传递中发挥重要作用，同时水凝胶可以在特定刺激如温度、pH以及离子强度等条件下进行调整，以满足生物医学不同的需求[5]。支架在组织工程气管中具有十分重要的作用，不仅要具备足够的强度以维持通气功能，同时还需要为种子细胞的生长提供微环境，从而促进移植物的软骨化、血管化和上皮化。水凝胶构建的支架以其特有的优势在组织工程气管中具有不可忽视的作用。
2 水凝胶在组织工程气管中的应用
2.1 胶原蛋白/明胶（collagen/gelatin）
胶原蛋白作为哺乳动物含量最高的蛋白质，广泛存在于各种结缔组织如骨、软骨、肌腱、血管、皮肤、角膜等，是细胞外基质的主要成分，不仅为细胞生长提供机械支撑，并且在细胞发育过程中具有调节作用。胶原蛋白作为机体内源性物质，具有含量高、生物相容性好、易加工、易与其他材料结合、免疫原性低及在体内易吸收等性能[6]。但是其在体内降解速率过快并且力学性能较差，研究者常通过化学交联[7]或者光交联[8]方法来进行改性以提高其力学性质和稳定性。明胶是胶原蛋白的单链衍生物，是胶原蛋白适度水解和热变性的产物，因此明胶的分子组成与胶原蛋白非常相似，但明胶在具有生物相容性、可降解性、低抗原性和低毒性的同时更容易获得，经济成本更低，因此明胶相较于胶原蛋白应用更为广泛[9]。Xu等[10]将邻-硝基苄基衍生物接枝到透明质酸上，再与明胶相结合，获得的光交联复合水凝胶具有良好的力学性能，作为兔耳廓软骨细胞载体与脱细胞气管基质结合后软骨再生明显。甲基丙烯酰化明胶（GelMA）是明胶与甲基丙烯酸酐直接反应合成的可进行光交联的水凝胶，其优异的生物学性能及可调节的物理性能在组织工程气管领域被广泛应用[11]。Tao等[12]设计出一种由GelMA、β-乳球蛋白纳米颗粒、葡聚糖和软骨细胞组成的纳米颗粒稳定型乳化生物墨水，用基于数字光处理的3D生物打印技术将其打印成具有多孔结构的仿生气管，软骨细胞的增殖和扩散在该支架中得到增强，裸鼠皮下移植显示该支架可以实现软骨再生，为3D打印组织工程气管提供了新的材料。尽管目前胶原蛋白、明胶或其衍生物能满足一定的组织工程需要，但制造具有适当物理和化学性质以及复杂3D结构的支架仍是重大挑战，还需学者们进一步研究。
2.2 丝素蛋白（silk fibroin）
丝素蛋白来源于家蚕丝纤维，作为一种天然蛋白质生物聚合物，丝素蛋白具有良好且可被调节的机械性能、优异的生物相容性、低免疫原性及可控的体内降解速率。丝素蛋白溶液可以通过物理非共价交联和化学共价交联的方式成胶，也可以采用物理化学双交联、构建双聚合网络丝素蛋白水凝胶或与其他水凝胶混合等方式来获得更高强度的水凝胶[13]。Li等[14]利用丝素蛋白和普鲁兰多糖（pullulan，PL），在辣根过氧化物酶和过氧化氢存在的生理条件下，成功开发出了一种酶交联的生物相容性水凝胶，并可以通过改变PL的浓度来调节水凝胶的各种物理化学性能，兔骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）封装实验展示了该水凝胶具有良好的细胞相容性。Liu等[15]利用丝素蛋白相对良好的机械性能，采用溶液铸造法制备了丝素管和聚己内酯（polycaprolactone，PCL）环，经冷冻干燥后，用静电纺丝技术将PCL环以3 mm的间隔固定在丝素管上，成功构建出了丝素-PCL复合仿生气管支架，经体外实验评价和体内血管化实验证实了这种多孔生物可降解仿生支架在组织工程气管领域应用的可行性。Nematollahi等[16]利用冷冻铸造技术构建了用于气管组织工程的戊二醛交联的壳聚糖丝素蛋白支架，通过调整冷冻速率和戊二醛的浓度，筛选出具有与人气管相似的力学性能和合适的生物降解性的支架进行体外软骨细胞培养实验，证实了这种无毒、具有抗拉强度和弹性模量的多孔结构支架能促进软骨细胞增殖，可用于气管再生。
2.3 藻酸盐（alginate）
藻酸盐是一种天然多糖，来源于褐藻、海带和马尾藻等藻类以及几种细菌菌株。藻酸盐无毒，来源丰富，并具有良好的生物相容性和可降解性[17]。在二价离子的存在下，藻酸盐可以快速成胶，可用于封装细胞制成生物墨水[18]。Park等[19]将海藻酸钠与氯化钙溶液混合再添加磷酸盐缓冲液（phosphate buffer saline，PBS）制成藻酸盐水凝胶，并用该水凝胶封装兔自体鼻上皮细胞和耳软骨细胞，随后将其联合PCL采用3D打印制成多层仿生气管。体外培养显示细胞生长良好，支架植入体内3、6、12个月检查结果表明，移植物上皮再生明显、有新生软骨生成且管腔无明显狭窄，体现了藻酸盐良好的生物相容性，在组织工程领域有广阔的研究前景。
2.4 壳聚糖（chitosan）
壳聚糖是一种线性多糖，由D-氨基葡萄糖和N-乙酰-D-氨基葡萄糖以β-（1，4）糖苷键连接起来，可采用碱性物质如氢氧化钠等从虾和蟹等甲壳类动物的壳中获得。壳聚糖结构上与细胞外基质中的糖胺聚糖相似，具有良好的生物相容性、生物降解性、无毒、抗炎、抗菌特性，因此是一种非常具有潜力的生物材料[20]。但用作组织工程气管的支架材料，单纯壳聚糖水凝胶的机械强度还不够。Chen等[21]采用冻融法制备了一种柠檬酸修饰的壳聚糖（citric acid-modified chitosan，CC）水凝胶，扫描电镜观察和压缩实验测量表明，CC水凝胶具有互联的多孔结构和更好的力学性能；细胞学试验显示，CC水凝胶可促进BMSCs向软骨分化，以上表明该水凝胶在构建软骨化组织工程气管支架中具有潜力。Kim等[22]利用静电纺丝技术制备出一种壳聚糖纳米纤维膜（chitosan-based nanofiber membrane，CHIM），将其整合在由多孔PCL支架和包裹软骨细胞的胶原蛋白水凝胶组成的3D打印仿生气管周围；大鼠皮下移植显示，支架周围CHIM的保护可增强仿生气管的软骨再生，为促进组织工程气管的软骨化提供了新思路。O'Leary等[23]采用静电纺丝技术构造了一种负载有全反式维甲酸（all-trans retinoic acid，atRA）的纳米纤维PCL-壳聚糖支架，体外细胞培养实验结果显示，该支架不仅具有良好的生物相容性而且充分发挥了atRA的增强黏液纤毛上皮功能化的能力，体现了该支架作为一种新的气管组织工程生物材料的巨大潜力。
2.5 透明质酸（hyaluronic acid，HA）
HA是一种广泛分布于皮肤和关节软骨中的天然糖胺聚糖，由D-葡萄糖醛酸和N-乙酰葡萄糖胺单元组成，是细胞外基质的重要组成部分；HA及其衍生物因其优异的生物相容性、生物降解性、可吸收性以及其作为自体成分的生理特性用做组织工程支架具有巨大的潜力[24]。Hong等[25]将提取自兔耳廓的软骨细胞置于纤维蛋白-HA复合水凝胶中培养，4周后显示该水凝胶中软骨基质标记物表达水平明显升高，制成气管补片后移植到兔气管缺损处，术后1、3、6个月检测结果显示手术部位被纤毛上皮完全覆盖，无炎症反应，表明该水凝胶在促进上皮再生和软骨化方面具有巨大的潜力，但研究者们发现其实现软骨细胞长期存活和形成具有满意机械性能的软骨能力有限，还需进一步改进。Hong等[26]将负载有兔关节软骨细胞的纤维蛋白-HA水凝胶注射到聚乙丙交酯支架中，体外培养4周后移植入兔体内气管缺损部，分别在术后6周和10周进行评估，结果显示该复合支架成功实现了气管窗型缺损的重建。Choi等[27]将多巴-HA偶联物与3D打印的聚己内酯管状气管支架在PBS中共培养2 d，制成含HA涂层的气管支架，体外接种MSCs培养显示HA涂层可促进MSCs的黏附，随后将该支架植入家兔体内行气管置换，结果显示术后气道上皮再生明显且无狭窄发生，以上结果表明具有优异生物相容性的HA在气管组织工程的应用具有广阔前景。
2.6 硫酸软骨素（chondroitin sulfate）
硫酸软骨素是一种天然的复杂大分子硫酸盐多糖，也属于糖胺聚糖类，作为细胞外基质的主要成分参与维持和保护细胞外微环境，同时它也是一种多功能信号分子和调节因子，直接或间接影响细胞的信号传导功能，参与许多生理活动[28]。硫酸软骨素具有良好的生物相容性、生物降解性、低细胞毒性，以及独特的生物活性，如抗氧化性、抗炎性、免疫调节活性等，使得其在输送系统和组织工程领域被广泛研究。Xu等[29]构建了硫酸软骨素和Ⅱ型胶原蛋白的复合支架，并接种BMSCs，置于软骨培养基中12周，成功体外培养出了仿生软骨环，展现了硫酸软骨素在气管组织工程领域的应用有巨大潜力。但由于硫酸软骨素机械性能有限，Yu等[30]将具有生化信号作用的明胶，促蛋白多糖和Ⅱ型胶原蛋白分泌的硫酸软骨素，促细胞增殖和迁移的透明质酸，以及可提高支架的柔韧性和粘弹性的聚乙烯醇相结合，利用单项冷冻干燥法模拟气管软骨细胞外基质的组成和结构，制备了具有定向微管结构和良好亲水性能的明胶-硫酸软骨素-HA-聚乙烯醇支架。研究结果显示，该支架表现出与天然软骨相似的压缩弹性模量，并且可以促进细胞的黏附与增殖，体现了良好的生物相容性。
2.7 聚乙二醇（poly(ethylene glycol)，PEG）
PEG是环氧乙烷的低聚物，具有可调节的机械性能，并且易于控制支架的结构和化学成分。单纯PEG水凝胶具有生物惰性，不利于细胞黏附，因此研究者常将PEG与其他水凝胶结合。Huo等[31]设计了一种新型生物墨水，通过八臂聚乙二醇琥珀酸酯（8-PEG-NSH）将血管化纤维环复合水凝胶与软骨环复合水凝胶紧密结合，成功构建出了仿生软骨-血管化纤维组织整合气管。Chang等[32]在PEG/PCL共聚物中加入光引发剂制备出可光固化的PEG/PCL水凝胶，将兔耳廓软骨细胞和BMSCs封装在该水凝胶中，体外培养2周后发现，耳廓软骨细胞中成软骨基因表达明显上调，体外培养4周后，封装细胞的PEG/PCL水凝胶中蛋白多糖和Ⅱ型胶原等软骨基质标记物的表达水平均增高。该研究显示出PEG/PCL水凝胶具有促软骨化能力，可用于构建具有良好软骨再生能力的组织工程气管支架。
3 总结与展望
本文综述了水凝胶在组织工程气管领域的应用，显示了水凝胶具有生物相容性好、体内可降解、免疫原性低等性能。研究者利用其3D网络结构，进行封装细胞、负载药物或生长因子，以及通过3D生物打印、静电纺丝、冷冻干燥等技术构建仿生气管支架并取得了优异的成果。关于水凝胶对细胞生物学行为的影响，Zhang等[33]发现动态调节水凝胶的相关机械特性，可通过作用于黏着斑激酶信号通路、影响核纤层蛋白A/C在细胞中的表达和分布等调节人间充质干细胞的分化。但水凝胶促进细胞黏附和增殖的相关机制还有待更深入的研究。其次，由于气管结构的特殊性，要求支架具有维持管腔通畅的能力，而目前应用于气管组织工程的水凝胶仍存在力学性能以及耐久性较差等问题导致达不到理想的效果，因此需要进一步探究。此外，在组织工程气管领域，术后移植物的软骨化、血管化、上皮化是必须要解决的问题，因此未来的水凝胶能否同时具有解剖学功能和生理学功能，值得进一步探索。综上所述，水凝胶在组织工程气管领域具有光明前景，有望实现临床转化。
利益冲突：无。
作者贡献：陈文轩负责文献分析，文章初稿撰写与修改；单一波、孙飞和沈志明负责文章构思、设计和修改；卢毅、朱剑炜和袁磊负责文献搜集整理和分析；史宏灿负责文章审阅和基金资助。