2.1   近红外光响应材料在组织重建中的生物作用   软组织及骨组织修复是一个复杂的过程，在细胞外基质微环境中，通过生长因子和趋化因子等调控细胞生物学行为和多细胞相互作用[1-3]。在伤口愈合和骨再生中，来自新生血管形成的氧和营养供应是必需的。此外，病原菌的侵入也容易造成伤口的严重感染及迁延不愈。因此，在控制感染和促进血管生成的同时实现促进组织再生的多功能组织工程化材料亟待开发。水凝胶是具有良好的生物相容性的仿生材料，但仍存在响应能力有限、促组织再生能力薄弱等不足之处。近红外光响应水凝胶赋予传统静态水凝胶更好的光热效应、刺激响应能力和生物组织穿透能力，可通过多种生物化学和生物物理因素调控组织修复，其中近红外光响应材料主要发挥控制感染减轻炎症、促进血管生成、促进成骨细胞分化和新骨形成等生物学作用，具体见图3。"

2.1.1   抗菌抗炎作用   近红外光响应水凝胶因其优异的光热转换性能，可以通过抗菌来控制炎症，加速组织愈合，抗菌机制包括：①破坏细菌细胞膜、细胞壁结构[14]；②诱导细菌氧化应激产生活性氧[15]；③导致蛋白质、DNA变性失活[16]。另一方面近红外光响应水凝胶可以调控免疫微环境，调节炎症细胞的表达和趋化因子的释放，如增强巨噬细胞和嗜中性粒细胞对细菌的吞噬作用，诱导巨噬细胞向M2表型的极化，M2表型巨噬细胞通过产生生长因子如血管内皮生长因子和分泌抗炎因子(如白细胞介素4和白细胞介素10等)可促进血管生成，减少炎症反应[14，17-18]。 2.1.2   促血管再生作用   血管生成是组织愈合过程中至关重要的一环，近红外光响应水凝胶可提供伤口区域成血管微环境，促进原位血管生成。其作用机制包括：①通过活性氧激活内皮型一氧化氮合酶或者递送一氧化氮释放分子，促进一氧化氮产生，进而促进血管生成[19-20]；②输送CO2通过玻尔效应影响血管生成[21-22]；③通过激活缺氧诱导因子1α信号或者递送生长因子上调血管内皮生长因子和碱性成纤维细胞生长因子等表达，促进细胞增殖和血管生成[18，23-25]。此外，温和的热量(40-41 ℃)可以通过诱导血管内皮细胞的增殖，有效地增加新生肉芽组织中的血管密度[26]。  2.1.3   促骨再生作用   间充质干细胞被募集活化、分化成为成骨细胞[27]，成骨细胞促进胶原沉积进而矿化是新骨形成最为关键的环节。多种生化和生物物理因素可以在不同的修复和再生阶段来调节细胞行为和骨再生。近红外光响应水凝胶参与调节骨再生机制：①周期性光热治疗可刺激骨髓间充质干细胞的增殖及成骨分化[28-29]；②通过胞外信号分子如生长因子递送系统，上调相关成骨信号通路[30]。此外，温和的光热水凝胶增加了热休克蛋白的表达，而且热休克蛋白70可以增强细胞的耐热性，热休克蛋白47促进Ⅰ型胶原蛋白的成熟，两者都可以促进成骨细胞活性[28，31-32]。 2.2   近红外光响应水凝胶的构建原理   近红外光响应水凝胶是通过近红外光基团将近红外光转换成物理化学信号，继而控制水凝胶理化性质，起到递送相关细胞因子或调控细胞生物学行为等作用。光热纳米材料作为光敏剂被引入近红外光响应水凝胶将吸收的波长长、能量低的近红外光转换为热量或波长短、能量高的光。常用的无机纳米光热材料主要包括：金属纳米材料[17，33-35]、碳基纳米材料[36-38]、过渡金属氧化物及硫化物[39-40]、上转换纳米材料等[41-44]；有机纳米光热材料主要包括：共轭聚合物大分子(如聚多巴胺)[19，45-47]、小分子染料(如吲哚菁绿、IR-780)等[7，48]。无机材料具有高光稳定性的优势，也可以提高水凝胶机械性能，但需要改性以提高其生物降解能力[18，49-50]。有机材料通常具有更好的生物相容性，一般不影响水凝胶力学性能，但光稳定性差[7，45，51]，详情见表1。"

在近红外光照射下，依据水凝胶结构和性能的改变介绍目前常见的两种制备策略：①基于近红外光光热效应的温敏水凝胶；②基于光化学反应性的近红外光响应水凝胶。 2.2.1   基于近红外光光热效应的温敏水凝胶   一般而言，温敏性水凝胶依赖于外界温度变化而产生相应相态转变，而光激发的温敏性水凝胶则可以利用光热效应实现相态转换。光热效应是指光热材料被光激发时由于表面等离子体激元共振效应或能级跃迁原理表现出强烈的光吸收，并将所吸收的光能转换为热能。基于光热效应的温敏性水凝胶，不仅可以实现光热治疗，同时水凝胶网络在热刺激下改变物理结构，发生相转变现象，实现分子递送和靶向治疗等。将近红外光响应的光敏剂与温敏性水凝胶通过聚合物链的物理缠结或分子间相互作用力(如氢键、疏水作用、静电相互作用、配位键和希夫碱反应等)而形成非共价键作用的交联网络，水凝胶交联点没有形成新的化学键[34，52-54]。 基于光热效应的温敏性水凝胶由于其内部可逆键的存在，具有较好的热可逆性，这对于模仿机体组织微环境和动态调控释放具有重要意义。通常，温敏水凝胶按照其临界溶解温度可分为正温敏水凝胶(如明胶、琼脂糖等)和负温敏水凝胶(壳聚糖，聚N-异丙基丙烯酰胺[poly (N-isopropylacrylamide)，PNIPAAM])等[55]。正温敏水凝胶在达到相变温度时凝胶-溶胶相变，软化或融化水凝胶的纳米结构从而实现分子递送[56]。但是，正温敏凝胶药物递送的过程需要在较高温度下进行，这可能会导致某些不稳定的药物或者生物分子失活，从而影响药物的生物医用要求[57]。与此相反，负温敏水凝胶聚合物网络在超过最低临界溶解温度(lower critical solution temperature，LCST)时从溶胀态转变为收缩态。LCST与人体体温相近的负温敏水凝胶具有广泛的生物应用[47，58-60]。常用的负温敏聚合物有PNIPAAM及其衍生物、壳聚糖及其衍生物等[47，57]，因其与水分子形成氢键而具有亲水性，在最低临界溶解温度LCST以下呈现溶胀状态，可使药物分散于聚合物网络结构中[61]。 近红外光照射凝胶激发光热转换，当温度超过LCST氢键断裂导致凝胶亲水疏水转变，聚合物网络收缩从而实现药物释放和改善局部药物渗透性[46]。温敏水凝胶可逆的凝胶-溶胶相变是实现药物按需释放的关键。调整光敏剂含量、浓度、光照强度大小和暴露时间长短等可实现控制水凝胶网络来调整分子释放速率[46-47，62]。另一方面，在光热效应作用下的凝胶超过LCST实现相态转化，凝胶化的聚合物网络可以作为组织工程支架调控细胞的行为如黏附、迁移和分化，也为制造可注射原位水凝胶应用于机体提供了可能[34，63]。 2.2.2   基于光化学反应性的近红外光响应水凝胶   化学交联水凝胶是基于共价键作用的化学偶联形成水凝胶结构，具有更好的结构稳定性及机械性能[19，43]。光化学反应性近红外光响应水凝胶，通过改变光响应官能团的结构，进而调控水凝胶网络结构，达到调控水凝胶的物理或化学性质的目的。上转换效应指的是通过能量传输将吸收低能量的光，发射出高能量的光，即经波长长、频率低的光激发，材料发射出波长短及频率高的光[64]。上转换纳米粒子(up-conversion nanoparticles，UCNPs)由于其离子独特的阶梯状能级结构，较双/多光子系统吸收效率高[65]，因而光化学反应性近红外光响应水凝胶通常利用UCNPs实现近红外光向紫外光/可见光转换，激活相应光响应官能基团，引起水凝胶光化学反应改变聚合物基质交联密度或相转变、降解等现象，并可作为药物递送系统，释放抗菌药物或者生长因子等促进组织修复。 目前合成应用于组织工程近红外光响应水凝胶的光化学反应主要包括光聚合和光裂解反应等[41，43，66-68]。光聚合反应通常分为自由基链式聚合与生物正交点击反应两类[69-70]。大多数光聚合水凝胶通过自由基链式聚合，其机制为光敏剂例如UCNPs吸收近红外光发出紫外光或可见光，引起相应的光响应基团活化形成自由基而引发不饱和化学键的聚合，从而导致聚合物的化学交联。调整照射光强度、照射时间、调节聚合物基质浓度等可影响水凝胶聚合物交联密度[43]，进而影响其理化性质，例如改变水凝胶硬度可调控干细胞黏附、迁移和分化等[14]。生物正交反应由于其具有高度专一性、良好生物相容性以及快速反应能力，被引入构建光化学反应性近红外光响应水凝胶以实现对生物体系的标记和功能调控[71]。目前最常见反应类型主要是叠氮-烷烃的环化加成反应[72-73]，可通过互补官能团的特定配对实现化学交联，选择性修饰报告基团，从而实现可视化成像。此外，UCNPs将近红外光转化为紫外光信号引起水凝胶上的光裂解基团发生化学键断裂使得聚合物网络发生不可逆的部分或者完全降解的光裂解反应，为近红外光响应水凝胶递送系统在组织工程领域的应用提供了新的可能性，以实现远程时空控制、动态可调节的精准治疗[43]。 2.3   近红外光响应水凝胶在组织工程领域的应用   在功能性人体组织再生医学和生物组织工程致力于重塑组织结构层次，实现组织及器官修复、再生或替换需求。近红外光响应水凝胶在缺损处构建可降解的生物桥梁，通过聚合物支架的高度排列结构以及多种近红外光响应基团及生物活性因子的刺激，引导细胞定向生长形成新组织完成缺损的修复。此外，近红外光荧光基团的应用还为诊断治疗一体化的精准医疗蓝图描绘了可能性，包括实现可视化成像、精准监测分子水平变化、动态可调节的组织再生修复等功能。近红外光响应水凝胶因其优良的结构动态可调性、操作安全无创性、功能可设计性，在软组织愈合再生、骨组织重建修复以及其他组织再生领域具有广阔的应用前景[74-75]。近5年来近红外光响应水凝胶用于组织工程研究的发文量不断攀升，见图4。近5年来近红外光响应水凝胶在组织工程领域相关研究进展成果见表2。"

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2.3.1   软组织愈合再生   伤口愈合是由多种细胞、细胞因子参与的复杂的调节过程，由止血和凝血、炎症期、增殖期和重塑期4个连续而重叠的阶段构成[76]。近红外光响应水凝胶作为伤口敷料，因其含有不同组分可在伤口愈合的不同阶段发挥作用，因而在预防创伤感染和促进软组织再生方面具有广阔的应用前景。 及时的止血对于伤口愈合的第一阶段十分关键。在伤口愈合的早期阶段，血细胞、血小板的聚集和纤维蛋白凝块的形成会加速止血过程，以实现伤口封闭[77]。近红外光响应水凝胶作为伤口敷料具有水凝胶的固有优势，通过优异的溶胀能力吸收大量渗出物，并黏附在伤口组织充当物理屏障，维持伤口的湿润环境，同时，还可以促血小板的聚集和纤维蛋白凝块的形成产生止血作用[78-80]。具有优异的组织黏附性的光热材料聚多巴胺的加入有助于加速伤口敷料水凝胶的止血过程[45]，聚多巴胺涂层可以将疏水表面转化为亲水表面，为伤口愈合提供潮湿密闭的环境，以增强水凝胶对细胞/组织的亲和力、促进其与细胞/组织的黏附。聚多巴胺复合物的黏附性和优异的延展性、机械性能和自愈合性能，使聚多巴胺复合物在伤口表面形成长期稳定的愈合环境，这避免了由于需要重复更换传统敷料而导致的伤口二次撕裂[45]。基于季铵化壳聚糖/单宁酸/三价铁复合近红外光响应的可注射水凝胶有效加速止血过程。热敏水凝胶基质壳聚糖使水凝胶在LCST以下具有可注射性以适应不同伤口形状，此外壳聚糖的氨基在血液中由于静电吸附作用产生NH3+，增加血小板黏附，并促进受损部位红细胞的快速黏附和聚集，有助于血栓的形成，实现快速止血[34]。 伤口止血后迅速转入炎症期，有效控制感染、减轻炎症是伤口愈合的另一个关键。近红外光响应水凝胶的抗菌作用通过光热效应产生局部热能、大量自由基和活性氧来治疗细菌感染[15-17，19]。具有抗菌抗炎成血管等多种功能的光热控释氧气的载有碳化钛/聚多巴胺/透明质酸复合水凝胶在近红外光照射后最高温度迅速达到47.5 ℃，可有效杀菌，并能刺激巨噬细胞向M2表型分化分泌白细胞介素10对抗炎症，近红外光辐照碳化钛纳米片产生的热量刺激氧合血红蛋白释放氧气，促进血管内皮细胞的增殖和迁移[81]。近红外光辐射诱导的高温具有短期抗菌作用，当近红外光照射停止时，随光热效应减弱，残留的细菌不能被有效抑制。 为了增强水凝胶的抗菌性能，已有多种载有抗菌药物的水凝胶被应用于协同治疗[82-84]。水凝胶可以与药物结合，通过π-π堆积、可逆共价交联来改善抗菌性能[85]，或者直接封装[86]，通过光热触发来控制药物释放[87]，改变光热引发剂含量、浓度，调整近红外光辐照强度和暴露时间等可实现部分破坏水凝胶网络[46-47，62]，从而实现抗菌药物的可控释放。HAN等[59]制备的近红外光响应的载多西环素和聚多巴胺的PNIPAAM水凝胶具有精确控制药物释放、促进组织修复再生的双重效应。聚多巴胺吸收近红外光能量转化为热能，使负温敏水凝胶PNIPAAM被加热到LCST以上，聚合物网络原位凝胶化，作为细胞生长的支架。溶胀状态的水凝胶网络结构收缩而释放药物，停止近红外光照射，可快速关闭药物释放通道，从而准确控制多西环素释放速率。总体而言，近红外光响应水凝胶将具有杀菌特性的光热材料、抗菌药物等与水凝胶结合，以高精度地在时间和空间上靶向微生物，同时避免了日益严重的抗生素耐药性问题。此外，近红外光响应水凝胶可以调控伤口区域募集的免疫细胞分泌多种趋化因子和生长因子[15，18，25]，继而吸引包括成纤维细胞和血管内皮细胞在内的各种细胞迁移至伤口区域[27，88]，引导组织愈合进入增殖阶段。 近红外光响应水凝胶在增殖阶段通过促进上皮再生、血管生成和胶原沉积等发挥作用。许多金属元素具有抗菌及成血管作用如Cu2+，Mg2+，Zn2+也被负载于水凝胶，在近红外光照射下不仅发挥光热治疗抗菌作用，还能有效刺激血管生成，加速伤口愈合[17，49，50]。功能化聚乙烯吡咯烷酮通过非共价电化学相互作用与银纳米粒子交联，为了避免纳米材料的聚集，普鲁士蓝可以通过聚多巴胺进行表面修饰以锚定银离子，实现银离子的控制释放[35]。此外，由于普鲁士蓝的高光热转换特性和优异的稳定性，普鲁士蓝已应用于抗菌治疗和伤口愈合。普鲁士蓝纳米粒子作为近红外光响应开关的纳米纤维素复合水凝胶在治疗10 d后即可实现伤口愈合，促进更多新生血管形成、胶原沉积和上皮再形成[75]。 近红外光响应水凝胶作为伤口敷料在软组织愈合再生过程中发挥快速止血、组织黏附、抗菌抗炎、促进血管形成和上皮再生等多种功能。近红外光水凝胶可以维持伤口愈合的湿性环境；具有可注射性的近红外光响应水凝胶的自适应使其适用于各种不同的伤口形状，可实现良好的封闭性[34]，良好的组织黏附性避免了由于需要重复更换传统敷料而导致的伤口二次撕裂[75]。 2.3.2   骨组织重建修复   骨缺损修复通常需要骨髓间充质干细胞的增殖和分化、血管生成和钙化沉积[1]。然而，常见的临床骨缺损治疗，如开放性骨折的治疗，常伴随着严重的感染和组织缺血性坏死。作为一种可重复使用、无毒性、非侵入性的新治疗策略，光热疗法诱导的局部光热效应在体内外均表现出优异的成骨能力。水凝胶优异的生物相容性、可调节的降解性和多孔结构可以减少植入材料产生的炎症反应，并为新骨生长提供支架[89]。 近红外光响应水凝胶可以实现原位组织再生重建。ZHENG等[43]制备的近红外光光响应4D细胞培养模型，在近红外光照射下，UCNPs将近红外光转换为紫外光，从而激活细胞黏附肽，使得封装在水凝胶内的血管内皮细胞的附着和迁移增强，释放血管内皮生长因子，促进血管的空间生成，血管生成可以为新生组织提供氧气和营养，从而有助于加速骨修复进程。LEE等[69]通过近红外光照射复合水凝胶前体溶液，利用近红外光响应二维二硫化钼片与PNIPAAM共轭的原理实现聚合物的原位凝胶化，为原位骨再生提供了支架材料。光热剂的引入可以增强水凝胶的成骨性能，温和的热刺激(40-42 ℃)可以增加热休克蛋白的表达[30，32]。 周期性光热治疗可刺激骨髓间充质干细胞的增殖和分化，这归因于热效应的延长。轻度热刺激(41 ℃，1次/周，1 h/次)可增强碱性磷酸酶的表达，促进骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化[29]。载聚多巴胺的复合光热水凝胶由于聚多巴胺表面丰富官能团赋予的优异生物黏附性而显示出高的成骨能力[90]，在长期的骨再生过程中，成骨细胞逐渐增殖、分化并迁移至缺损区。 对于感染性骨缺损而言，近红外光响应水凝胶可发挥抗菌成骨的双重效应。3D打印碳化钛纳米片复合水凝胶支架可对革兰阳性菌和革兰阴性菌产生明显的抑菌效果，载细胞3D生物打印支架可实现间充质干细胞的增殖和分化，在感染条件下同时实现抗菌和成骨效果[37]。顺序递送抗炎药物阿司匹林和骨形态发生蛋白2的近红外光响应聚多巴胺/镁-碳酸钙微球/羟丁基壳聚糖复合水凝胶，通过阿司匹林的快速释放减轻了骨愈合早期的急性炎症反应，近红外光可控释放骨形态发生蛋白2，上调成骨通路表达，使其在骨再生中的治疗效果最大化[47]。此外，近红外光荧光染料具有自荧光弱，对组织细胞的低毒性，高敏感性、易与蛋白结合形成非共价荧光复合物等特性[7，48]，为构建具有原位监测骨组织再生能力的骨组织工程支架提供了可行的策略。Kim等[7]利用近红外荧光团CTNF127，ZW800-1C双荧光基团结合在聚乳酸-聚己内酯-聚乙醇酸共聚物，高分辨率生物成像实时示踪干细胞分化、监测体内支架降解情况。Yang等[91]利用一种新的半菁染料LET-3，通过光声双模式成像实现对碱性磷酸酶表达的非侵入性、高分辨率、实时可视化和半定量分析。 近红外光响应水凝胶在骨重建修复过程中，通过促进间充质干细胞成骨分化、刺激热休克蛋白的表达、促进血管新生、递送生长因子上调相关成骨通路表达等过程发挥作用。原位凝胶具有更好的形状适应性，可与伤口紧密接触，同时发挥光热协同成骨作用[30，69]。值得注意的是，目前近红外光响应水凝胶应用于骨组织工程的研究较少，可能是由于近红外光的深组织穿透性差，光照射需要特定部位和角度，且不适用于位置较深的腔隙内骨缺损的重塑。 2.3.3   其他疾病治疗及原位组织重建   随着组织工程的不断发展，具有疾病治疗和组织再生能力的多功能水凝胶有望成为人体组织、器官衰竭及受损的有效治疗手段，改善目前疾病治疗所面临的困境[92]。手术治疗肿瘤后并不能完全根除癌细胞和恢复正常组织功能，因此，开发有效的根除癌细胞和同时治愈由手术扩大切除肿瘤组织所产生伤口的创新方法是非常必要的[93]。光触发消融肿瘤可以通过光热治疗的局部热效应杀死癌细胞，或者光动力治疗的局部化学损伤杀死癌细胞。 近红外光响应水凝胶将多种治疗策略的组合呈现出显著的协同治疗功能，已被开发用于皮肤肿瘤引起的伤口的愈合。光动力治疗药物可以与抗肿瘤药物、光敏剂共同负载于水凝胶基质中，通过近红外光照射，预加载的药物以可控的方式释放或产生，从而实现协同治疗效果[94-95]。将Mg2+离子和二氧化钛纳米颗粒嵌入壳聚糖水凝胶，在808 nm激光下精准地照射肿瘤部位，黑色二氧化钛纳米颗粒产生热量，直接通过热消融肿瘤，水凝胶基质存在可避免热扩散对周围正常组织造成损伤。另一方面，从水凝胶中释放的Mg2+离子可以促进皮肤细胞的增殖、黏附和迁移，从而导致加速伤口闭合[50]。近红外光响应水凝胶对于原位癌的治疗具有独特优势，将多种治疗策略的组合呈现出显著的协同治疗功能，可以通过光热消融肿瘤细胞，抗癌药物产生局部化学损伤，减少全身血液系统等疾病，在实现微创治疗同时完成损伤部位的组织重建。对于已经出现远端转移的癌症，近红外光响应水凝胶的治疗效果较局限。 最近，也有学者将近红外光响应水凝胶应用其他的组织再生领域，实现动态监测的支架降解，量化组织再生过程，无创体内3D生物打印等目标。例如用800 nm荧光团ZW800-3a、700 nm脑特异性对比剂OX1标记支架，通过多光谱功能的高分辨率成像定位和量化脑组织生长，同时监测支架降解情况[96]。LU等[63]制备的基于胶原蛋白的可注射复合水凝胶可通过转化生长因子β/SMAD信号通路调控软骨修复。基于数字近红外光光聚合的3D打印技术，将数字光图案和UCNPs水凝胶结合使用，在没有手术植入的情况下，在体内获得了具有球粒化的个性化耳样组织结构和肌肉组织可修复的细胞性适形支架[97]。这也为近红外光响应水凝胶结合生物打印应用于原位组织重建创造了新思路。 近红外光响应水凝胶将多种治疗策略的组合呈现出显著协同治疗功能，也被逐步开发应用于其他组织重建场景中，例如促进皮肤肿瘤引起的伤口愈合，动态监测体内生物支架降解、量化组织再生情况，构建无创体内3D生物打印等。近红外光响应水凝胶应用于组织工程各领域的相关优缺点见表3。"