兰伟伟，太原理工大学讲师。中国生物材料学会、中国生物力学学会会员。主要从事骨软骨生物材料和类器官芯片研究，在Materials & Design、Colloids and Surfaces B Biointerfaces等杂志发表学术论文20余篇。

黄棣，太原理工大学教授。现任太原理工大学人工智能学院副院长，生物医学工程国家级一流专业建设点负责人，中国生物材料学会生物复合材料分会、材料生物力学分会委员，中国生物医学工程学会类器官与器官芯片分会委员，中国毒理学会类器官与器官芯片专委会委员，中国医疗器械行业协会产教融合专委会委员。主要从事生物材料、生物打印和器官芯片研究，在PNAS、Adv Mater、Biomaterials、Adv Sci等杂志发表学术论文200余篇。

1）本书基于作者团队在软骨组织工程领域的长期研究积累，从水凝胶的成胶工艺和性能表征出发，聚焦水凝胶材料的创新设计与工程化应用，全面梳理了该领域的研究进展与技术突破。

2）本书主要内容包括：绪论、水凝胶的成胶工艺、水凝胶性能表征、天然水凝胶在软骨组织工程的应用、合成水凝胶在软骨组织工程的应用和新型水凝胶在软骨组织工程的应用。

随着生物科技和个性化医疗的不断发展，生物材料的研究受到了越来越多科研和医疗工作者的关注。人体软骨组织缺乏神经和血管，导致其受损后难以自我修复。软骨组织工程从工程学角度出发，利用细胞、支架和生长因子/药物三方面结合，制备仿生软骨支架，用于诱导修复受损软骨组织，现已经成为修复软骨损伤的核心技术。软骨组织工程的发展高度依赖先进生物材料的创新突破，水凝胶材料因其独特的模拟细胞外基质特性和可调控性能，已成为该领域重点研究方向。水凝胶的研发涉及高分子化学、材料学、生物力学和临床医学等诸多学科，因此要求相关科研人员具备充足的交叉学科背景。当前水凝胶发展势头迅猛，更新速度极快，针对软骨水凝胶的研发每年都有大量论文和专利成果产出，但系统性的学术专著仍较为匮乏，因此亟须构建系统化的知识体系，以指导科研与实际应用。

由于水凝胶种类繁多、制备表征方法多样且生物学评价体系复杂，因此需要系统地进行梳理。撰写本书的目的是让读者能够对软骨组织工程有初步的了解，熟练掌握水凝胶的制备过程和表征分析。本书总结了我们团队近年来在软骨组织工程的成果，以及其他科研人员在软骨组织工程的前沿研究进展和趋势，期望能够为读者提供一些参考。

本书首先系统地介绍了软骨生理特点和组织工程需要；接着，从水凝胶的成胶工艺和性能表征出发，详细地阐述和分析了我们团队和该领域前沿队伍将天然水凝胶、合成水凝胶和新型水凝胶应用于软骨组织工程的案例。

本书第1章由太原理工大学黄棣撰写，第2～6章由太原理工大学兰伟伟撰写。

在本书的撰写过程中，吕振军、李军、柴玉威和张闯等研究生参与了书稿的整理工作，在此对他们的辛勤付出表示感谢！

此外，还要感谢国家自然基金委（12202302，12272253）的资金支持！

由于作者水平有限，书中难免有不足之处，敬请读者指正。

作者

前言

第1章绪论1

1.1关节软骨2

1.2水凝胶7

1.3软骨组织工程8

1.3.1种子细胞9

1.3.2生长因子11

1.3.3支架材料12

第2章水凝胶的成胶工艺14

2.1物理成胶14

2.1.1离子成胶15

2.1.2氢键成胶16

2.1.3结晶成胶17

2.1.4静电吸附成胶18

2.1.5剪切稀化/剪切增稠成胶19

2.1.6温度敏感成胶20

2.1.7磁性成胶21

2.2化学成胶21

2.2.1自由基聚合22

2.2.2缩合反应23

2.2.3Michael加成反应24

2.2.4光交联成胶24

2.2.5酶催化交联25

2.2.6Click化学交联26

2.2.7Schiff基反应26

第3章水凝胶性能表征28

3.1水凝胶材料选择28

3.2水凝胶设计与制备30

3.3水凝胶溶胀比和含水率33

3.4水凝胶降解性能35

3.5水凝胶力学性能41

3.5.1压缩性能41

3.5.2拉伸性能44

3.5.3剪切性能45

3.5.4疲劳性能46

3.5.5摩擦性能47

3.6水凝胶生物学评价49

3.6.1细胞毒性试验50

3.6.2溶血试验53

3.6.3生物诱导试验54

3.6.4抗菌试验57

3.6.5植入试验59

3.7水凝胶材料试验标准61

第4章天然水凝胶在软骨组织工程中的应用62

4.1胶原水凝胶62

4.1.1结构与交联62

4.1.2物理化学特性65

4.1.3生物学行为66

4.1.4软骨组织工程应用66

4.2透明质酸水凝胶70

4.2.1结构与交联70

4.2.2物理化学特性72

4.2.3生物学行为72

4.2.4软骨组织工程应用73

4.3壳聚糖水凝胶75

4.3.1结构与交联75

4.3.2物理化学特性76

4.3.3生物学行为77

4.3.4软骨组织工程应用77

4.4丝素蛋白水凝胶79

4.4.1结构与交联79

4.4.2物理化学特性80

4.4.3生物学行为81

4.4.4软骨组织工程应用81

4.5藻酸盐水凝胶83

4.5.1结构与交联83

4.5.2物理化学特性84

4.5.3生物学行为85

4.5.4软骨组织工程应用86

第5章合成水凝胶在软骨组织工程中的应用88

5.1聚乙烯醇水凝胶89

5.1.1结构与交联89

5.1.2物理化学特性91

5.1.3生物学行为91

5.1.4软骨组织工程应用93

5.2聚乳酸水凝胶98

5.2.1结构与交联98

5.2.2物理化学特性100

5.2.3生物学行为100

5.2.4软骨组织工程应用102

5.3聚乙二醇水凝胶104

5.3.1结构与交联104

5.3.2物理化学特性105

5.3.3生物学行为106

5.3.4软骨组织工程应用106

5.4聚己内酯水凝胶109

5.4.1结构与交联109

5.4.2物理化学特性110

5.4.3生物学行为111

5.4.4软骨组织工程应用112

5.5聚乳酸-羟基乙酸水凝胶114

5.5.1结构与交联114

5.5.2物理化学特性115

5.5.3生物学行为116

5.5.4软骨组织工程应用116

第6章新型水凝胶在软骨组织工程中的应用118

6.1可注射水凝胶119

6.2高强度水凝胶123

6.2.1双交联网络水凝胶123

6.2.2无机物增强水凝胶126

6.2.3超分子水凝胶128

6.2.4杂化高强度水凝胶129

6.2.5其他力学增强方式131

6.3药物控释水凝胶131

6.43D打印水凝胶136

6.5自愈合水凝胶139

参考文献142