综述：超越静态支架：葡萄糖响应性水凝胶作为组织工程的动态智能平台

这篇综述系统阐述了葡萄糖响应性水凝胶（Glucose-Responsive Hydrogels）在组织工程中的创新应用，重点探讨了其基于葡萄糖氧化酶（GOx）、凝集素（Lectin）、苯硼酸（PBA）和环糊精（CD）的响应机制，以及通过天然/合成聚合物与纳米材料复合构建的动态智能平台。文章归纳了水凝胶的力学性能、溶胀特性和生物相容性表征方法，并详述了其在皮肤、骨/软骨、牙周等组织修复中的突破性进展，为代谢微环境调控提供了新策略。

　　

引言

作为再生医学的核心领域，组织工程通过整合细胞、生物材料和生物活性分子来修复受损组织。传统支架材料难以模拟天然组织的动态生理微环境，而智能材料尤其是葡萄糖响应性水凝胶的出现为解决这一问题提供了新思路。这类水凝胶能根据环境葡萄糖浓度动态调节其结构和功能特性，实现精准药物释放和组织修复。

葡萄糖的生理与病理作用

葡萄糖是细胞代谢的主要能量来源，其动态浓度变化与糖尿病、恶性肿瘤等病理状态密切相关。高糖微环境会通过以下途径破坏组织稳态：

1. 1.

   皮肤组织：加速细菌增殖，激活多元醇和己糖胺代谢途径，导致晚期糖基化终末产物（AGEs）积累，抑制抗氧化系统并诱发慢性炎症。

2. 2.

   骨/软骨组织：抑制成骨细胞分化，促进骨小梁脱矿，同时AGEs破坏骨矿化和胶原交联。

3. 3.

   牙周组织：通过葡萄糖转运蛋白GLUT1激活巨噬细胞炎症表型，加速牙槽骨吸收。

响应机制与材料设计

1. 葡萄糖氧化酶（GOx）系统

GOx催化葡萄糖氧化生成葡萄糖酸和H₂O₂，降低局部pH值。例如，Yang等开发的复合水凝胶利用GOx分解伤口部位过量葡萄糖，酸性环境触发锌离子和去铁胺的协同释放，兼具抗菌和促血管生成作用。

2. 苯硼酸（PBA）系统

PBA与二醇单元形成可逆共价复合物。Zeng等通过动态硼酸酯键构建的自适应水凝胶，能响应葡萄糖浓度变化释放表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG），促进全层慢性伤口愈合。

3. 材料复合策略

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  天然材料：如透明质酸（HA）通过羧基修饰引入PBA，实现pH/葡萄糖双响应。

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  合成聚合物：聚乙二醇（PEG）与PBA交联形成可注射网络，用于胰岛素控释。

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  纳米材料：氧化石墨烯（GO）增强机械强度，同时负载GOx提升响应灵敏度。

组织修复应用

皮肤再生

Huang等开发的多功能PAE水凝胶通过动态硼酸酯键实现EGCG的按需释放，19天内使血管内皮标志物阳性面积提升7倍，胶原沉积率达80%。

骨/软骨修复

Liu等将PBA接枝到甲基丙烯酰化明胶（GelMA）上，高糖环境下释放白藜芦醇（Res），促进成骨分化并抑制炎症。Xie团队进一步结合3D打印技术，构建可序贯治疗骨肉瘤和骨缺损的复合支架。

牙周炎治疗

Qu等设计的近红外（NIR）驱动纳米酶水凝胶，在葡萄糖和NIR协同下实现>99.9%的抗菌率，21天时矿化面积达对照组的3倍。

挑战与展望

当前瓶颈在于响应灵敏度与长期稳定性的平衡。未来可通过以下方向突破：

1. 1.

   开发低pKa值PBA衍生物以提高生理条件下的结合效率；

2. 2.

   整合多重响应机制（如ROS/MMP-9）实现微环境精准调控；

3. 3.

   利用3D生物打印技术构建仿生梯度结构。

葡萄糖响应性水凝胶通过模拟动态生理信号，为代谢相关组织修复提供了前所未有的智能化解决方案，其临床转化将深刻变革再生医学领域。