可吸收生物膜在牙周引導(dǎo)組織再生術(shù)中的研究進(jìn)展

張 嵐，吳燕岷

慢性牙周炎是發(fā)生在牙齒周圍支持組織的一種慢性炎癥性病變，以牙齦炎癥、牙周袋形成、牙槽骨吸收、牙齒松動(dòng)移位為主要表現(xiàn)。牙周治療的基本目的是防止牙周組織進(jìn)一步破壞并修復(fù)或再生已破壞組織[1]。近年來，通過翻瓣清創(chuàng)并使用屏障膜和移植材料實(shí)現(xiàn)牙周組織重建的引導(dǎo)組織再生(guided tissue regeneration，GTR)技術(shù)在臨床上得到廣泛應(yīng)用[1-2]。作為牙周再生手術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，屏障膜的使用一直以來備受關(guān)注，目前臨床上常用的屏障膜種類繁多，其材料也不斷發(fā)展更新。本文旨在討論可吸收生物膜在牙周引導(dǎo)組織再生術(shù)中的研究與應(yīng)用進(jìn)展，為臨床應(yīng)用和材料學(xué)研究提供依據(jù)。

1 可吸收生物膜的特性

GTR術(shù)中屏障膜的選擇需要考慮很多因素：生物安全性；組織整合性；細(xì)胞阻隔作用；空間維持能力；可降解性及臨床可操作性等[2]。

在生物學(xué)特性方面，影響可吸收生物膜的安全性和有效性的主要因素是降解率及降解終產(chǎn)物。生物膜的降解會(huì)產(chǎn)生可能引起異物反應(yīng)的顆?；蛩槠@導(dǎo)致不同膜材料在生物相容性及成骨作用上存在差異[3]。因此，要使膜在足夠的愈合時(shí)間內(nèi)保持其功能特性尤為重要。目前，最常用的可吸收膜由膠原蛋白、聚乙交酯、聚丙交酯以及它們的共聚物制成。大多數(shù)屏障膜降解或暴露于口腔環(huán)境時(shí)不能獨(dú)立維持缺陷空間，因此屏障膜往往需要結(jié)合自體骨或合成骨移植替代材料使用[4]。

在結(jié)構(gòu)性能上，理想的屏障膜應(yīng)有足夠的強(qiáng)度承受上覆軟組織的壓力以防組織塌陷，以及一定程度的可塑性以便于形成并維持足夠的空間，恢復(fù)缺損組織的形狀[4]。Sheikh等[3]認(rèn)為，合適的孔徑大小能阻擋軟組織生長并有利于氧氣、營養(yǎng)物質(zhì)和生物活性因子等擴(kuò)散。一些單層生物膜具有半透性的多孔三維結(jié)構(gòu)；雙層膜一般有兩層不同結(jié)構(gòu)，外層孔徑較大以促進(jìn)上覆軟組織的整合，內(nèi)層的小孔徑能阻擋軟組織細(xì)胞進(jìn)入而允許干細(xì)胞和營養(yǎng)物質(zhì)通過，雙層結(jié)構(gòu)之間則存在一定的間隙以利于組織整合[5]。

2 可吸收生物膜的分類及在牙周引導(dǎo)性組織再生術(shù)中的應(yīng)用

可吸收生物膜根據(jù)材料來源大致可分為來源于人體、動(dòng)物等組織的天然生物活性材料以及合成聚酯類聚合物等。

2.1 天然基質(zhì)衍生聚合物

天然基質(zhì)衍生的聚合物具有維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)、誘導(dǎo)組織再生和自然酶解能力等優(yōu)勢。常見的天然聚合物可吸收膜有膠原蛋白、脫細(xì)胞真皮基質(zhì)、殼聚糖等。

2.1.1 膠原蛋白 膠原膜一般來源于豬或牛組織，主要成分為Ⅰ型或Ⅲ型膠原。膠原蛋白具有良好的生物相容性、低免疫原性、優(yōu)越的滲透性以及生物可降解性，可以調(diào)節(jié)細(xì)胞形態(tài)，并促進(jìn)細(xì)胞間粘附、細(xì)胞遷移和分化能力[6]。膠原膜通過內(nèi)源性膠原酶轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水來實(shí)現(xiàn)生物降解[7]。多項(xiàng)研究表明，膠原具有促進(jìn)成纖維細(xì)胞DNA合成的特性，與聚四氟乙烯(poly tetra fluoroethylene, PTFE)膜相比，膠原膜表面更易吸引成骨細(xì)胞粘附并刺激細(xì)胞增殖，但膠原膜存在機(jī)械性能差，體內(nèi)降解速率快等缺點(diǎn)，容易引起術(shù)區(qū)塌陷、空間維持不足和膜暴露[7-8]。目前研究多采用物理處理或化學(xué)修飾的方法實(shí)現(xiàn)膠原分子間交聯(lián)，膠原纖維的交聯(lián)程度直接影響降解速率，且兩者呈反比關(guān)系[9]。據(jù)Jiménez等[10]報(bào)道，膠原膜的術(shù)后暴露概率為22%～32%，而交聯(lián)膜較非交聯(lián)膜呈現(xiàn)更高的術(shù)后并發(fā)癥(膜暴露、炎癥、感染等)風(fēng)險(xiǎn)，可能與前者在口腔環(huán)境中維持時(shí)間較長相關(guān)。暴露于口腔環(huán)境的膠原蛋白水解1周左右失去其完整性而導(dǎo)致移植材料感染或丟失，因此使用膠原膜時(shí)應(yīng)尤其注意創(chuàng)口的初期封閉性。

2.1.2 脫細(xì)胞真皮基質(zhì) 脫細(xì)胞真皮基質(zhì) (acellular dermal matrix，ADM)是指脫去供體組織中細(xì)胞成分，僅保留框架結(jié)構(gòu)的細(xì)胞外基質(zhì)，主要來源于異體或異種皮膚。由于模擬了正常細(xì)胞的生長環(huán)境，在軟組織缺損修復(fù)中，ADM可誘導(dǎo)周圍細(xì)胞遷移，促進(jìn)局部血管再生以形成新附著[11]。研究者發(fā)現(xiàn)脫細(xì)胞基質(zhì)膜能形成有利于間充質(zhì)干細(xì)胞快速募集的微環(huán)境，促進(jìn)缺損部位兩種重要細(xì)胞募集因子CXC趨化因子受體4型(C-X-C chemokine receptor type 4, CXCR4)和單核細(xì)胞趨化蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1, MCP-1)的聚集[12]。其中CXCR4以基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1(stromal cell-derived factor 1, SDF-1)/ CXCR4軸的形式作用，引導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞歸巢到損傷部位，而MCP-1被認(rèn)為是骨重建過程中破骨細(xì)胞前體的主要趨化因子，這些因子在受損組織的過表達(dá)均能正向刺激骨重建過程[13-14]。Momen-Heravi等將ADM及異種骨移植材料用于種植體周圍骨開裂的修復(fù)，臨床和影像學(xué)結(jié)果均發(fā)現(xiàn)修復(fù)效果達(dá)95%以上，組織學(xué)切片也觀察到缺陷周圍有新骨形成[15]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)ADM不僅能將薄生物型牙齦轉(zhuǎn)化為厚生物型，而且能有效阻止上皮角化，有利于齦緣的穩(wěn)定[11,15]。因此，ADM在臨床上較多應(yīng)用于牙齦退縮或軟組織增量。

2.1.3 殼聚糖 殼聚糖(chitosan)因其良好的滲透性、抑菌性以及促凝血和傷口愈合特性近年被廣泛應(yīng)用于骨組織工程學(xué)[16]。Costa等通過體外研究發(fā)現(xiàn)，殼聚糖能夠干擾變形鏈球菌的粘附和牙周菌斑生物膜的形成，不同分子量的殼聚糖對革蘭陽性和陰性細(xì)菌均有抑制作用[17]。殼聚糖多糖鏈上的游離氨基在環(huán)境pH值低于6時(shí)呈陽離子性質(zhì)，可與其他陰離子結(jié)合從而生成聚電解質(zhì)水凝膠，根據(jù)此性能可將殼聚糖應(yīng)用于藥物或生長因子控釋系統(tǒng)[18]。同時(shí)殼聚糖還能與帶負(fù)電荷的DNA組合，參與組建安全基因載體系統(tǒng)[19]。殼聚糖膜的降解速率取決于其分子量和制備方法，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)將殼聚糖膜植入大鼠皮下能維持其屏障功能達(dá)6周[20]。傳統(tǒng)工藝制備的殼聚糖機(jī)械性能欠佳，近年來將殼聚糖與剛性和強(qiáng)度更高的羥基磷灰石、磷酸三鈣等結(jié)合，或利用靜電紡絲等技術(shù)制備成的生物功能性復(fù)合支架，在牙周組織再生中被廣泛應(yīng)用[21]。

2.2 人工合成高分子聚合物

臨床上用于GTR的人工合成可吸收膜材料主要有聚乳酸、聚乙二醇及其共聚物等，它們具有優(yōu)良的機(jī)械性能，臨床操作性較強(qiáng)。

2.2.1 聚乳酸 1988年，Magnusson等首次將聚乳酸(polylactide，PLA)生物膜應(yīng)用于牙周再生，發(fā)現(xiàn)PLA膜對上皮細(xì)胞具有隔擋作用，并明顯促進(jìn)結(jié)締組織附著[22]。然而PLA膜的硬度較高，術(shù)后容易出現(xiàn)膜暴露[23]。Eskan團(tuán)隊(duì)通過觀察PLA膜在GTR術(shù)后1周內(nèi)暴露對手術(shù)效果的影響，發(fā)現(xiàn)暴露在口腔環(huán)境的屏障膜在6～7周內(nèi)可被降解或被軟組織覆蓋而未出現(xiàn)進(jìn)一步的并發(fā)癥，并仍可以獲得理想的骨增量[24]。單純的PLA降解較慢，完全降解為1～2年，通常加入其他聚合物以改善其降解速率[25]。Ramot等認(rèn)為PLA在體內(nèi)主要由多形核(polymorphonuclear，PMN)細(xì)胞中的蛋白水解酶分解成乳酸后通過腎臟排出，然而PMN細(xì)胞作為炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵成員，其分解過程通常產(chǎn)生有害的氧化物，這可能導(dǎo)致組織整合的失敗[26]。

2.2.2 聚乙二醇 聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)是一種可降解的生物相容性良好的聚合物。Wechsler等研究表明，PEG植入體內(nèi)可維持長達(dá)4個(gè)月的屏障功能，并在7個(gè)月后完全降解[27]。一些臨床前研究發(fā)現(xiàn)，PEG膜對于側(cè)嵴缺陷的牙槽嵴骨增量具有明顯優(yōu)勢[28]。Jung等研究者將PEG膜和膠原膜用于種植體周圍骨缺損再生，發(fā)現(xiàn)PEG膜組獲得更多骨增量，且能根據(jù)缺損部位修整膜的形狀，簡化臨床操作，但該研究中PEG膜術(shù)后暴露率(約50%)遠(yuǎn)高于膠原膜(12%)[29]。近年來PEG更常被用作水凝膠等骨替代材料的基質(zhì)，或與其他聚合物共混形成新型生物屏障膜[30]。

2.3 不同聚合物復(fù)合生物膜

早期的單一成分生物膜在降解速度、機(jī)械性能等方面有很大不足，近年大多數(shù)可吸收生物膜以多種聚合物混合形成，以同時(shí)滿足牙周GTR術(shù)的多種需求。

2.3.1 天然聚合物混合 Hunter等采用凍干法制備出一種羥基磷灰石/殼聚糖/明膠復(fù)合膜，發(fā)現(xiàn)其納米孔結(jié)構(gòu)明顯增強(qiáng)血清蛋白的吸附，且三種材料之間通過化學(xué)結(jié)合大大增強(qiáng)了材料的機(jī)械性能，將人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞接種于復(fù)合膜后細(xì)胞增殖及成骨分化能力顯著提高。此外，該研究認(rèn)為血清和/或細(xì)胞分泌物中的蛋白可形成牢固的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將復(fù)合膜于血清中預(yù)處理能顯著增強(qiáng)其蛋白吸附和細(xì)胞增殖能力，相較新鮮制備的膜具有更佳的屏障和引導(dǎo)組織再生作用[31]。

2.3.2 合成聚合物混合 PLA與其他聚合物如聚乙醇酸、聚己內(nèi)酯(polycaprolactone, PCL)混合或交聯(lián)而成的生物膜機(jī)械性能和降解時(shí)間取決于各聚合物的比例和交聯(lián)程度，臨床上可根據(jù)實(shí)際需求選擇不同生物膜[29]。聚乳酸-羥基乙酸共聚物(poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA)是由乳酸和羥基乙酸聚合而成的可降解材料，其降解速率取決于兩者比例，一般體內(nèi)降解時(shí)間為1～2個(gè)月[30]。純的PLGA親水性和生物活性欠佳，為了克服這些缺點(diǎn)，可將PLGA與PCL等共混成為新型復(fù)合材料[32-33]。

2.3.3 天然/合成聚合物混合 天然聚合物與合成聚合物混合可以結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，如PCL/明膠共混物同時(shí)具備良好機(jī)械性能及促進(jìn)細(xì)胞粘附的能力[34]。He等利用電紡技術(shù)制成殼聚糖/PCL復(fù)合膜并與鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞體外共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)復(fù)合膜與均聚物PCL膜相比成骨誘導(dǎo)能力顯著提高，從而表明該復(fù)合膜具有更大的臨床應(yīng)用潛力[35]。據(jù)Spinell等報(bào)道，將膠原與其他物質(zhì)如甲醛、戊二醛、多糖等交聯(lián)后可以減緩屏障膜在體內(nèi)的降解速度，但這些物質(zhì)存在一定細(xì)胞毒性，可能會(huì)抑制組織再生過程中干細(xì)胞的活性[36]。

2.4 改良型復(fù)合生物膜

單純的GTR膜僅能起到機(jī)械性屏障作用，近來將GTR膜與抗菌材料或生長因子等聯(lián)合應(yīng)用，以提高生物膜的抗感染或主動(dòng)誘導(dǎo)組織再生能力，這種改良型的復(fù)合生物膜具有重要的臨床意義。

2.4.1 抗菌型可吸收生物膜 研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌感染最常發(fā)生在材料被植入組織缺損部位的第1周內(nèi)，這一階段使用抗生素可大量消除入侵的細(xì)菌[30]。臨床上往往在GTR術(shù)后1周通過全身應(yīng)用抗生素來防止傷口感染，但其結(jié)果仍存在不可預(yù)測性，且全身用藥易引起菌株耐藥性。目前已證明將一些抗生素制劑與GTR材料結(jié)合能通過抑制膠原酶、基質(zhì)金屬蛋白酶等釋放阻止其對牙周組織的破壞，并促進(jìn)成纖維細(xì)胞附著于根面，從而加速膠原蛋白分泌及骨形成[37]?？咕锬ねㄟ^微結(jié)構(gòu)阻止微生物與膜表面結(jié)合來防止細(xì)菌積聚，如PEG、超疏水結(jié)構(gòu)涂層、生物膜基質(zhì)降解酶涂層等；或通過負(fù)載并釋放藥物達(dá)到抑菌目的，如釋銀離子涂層、二氧化鈦光活性涂層、氯己定、萬古霉素負(fù)載的聚合膜等[38-39]。隨著新型抗菌基質(zhì)的發(fā)展，納米和微米技術(shù)開始應(yīng)用于抗菌膜的制備，負(fù)載抗菌藥物的納米顆?？梢詽B透到生物膜中并避免藥物的過快降解[40]。

2.4.2 負(fù)載生長因子型可吸收生物膜 牙周再生的成功取決于支架材料與生長因子、細(xì)胞和血液供應(yīng)等關(guān)鍵因素。生長因子在牙周組織愈合和修復(fù)過程中控制細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的合成和降解，促進(jìn)細(xì)胞增殖以及血管的生成、趨化。常用于GTR術(shù)的生物活性分子有牙釉質(zhì)基質(zhì)衍生物(enamel matrix derivative，EMD)，骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein，BMPs)及血小板衍生生長因子(platelet derived growth factor，PDGF)等[6]。EMD是從幼豬發(fā)育中的牙齒釉質(zhì)層中提取的釉原蛋白，可以刺激牙骨質(zhì)沉積和牙周再生。Miron等[41]發(fā)現(xiàn)體外將EMD與膠原膜組合后能顯著增加骨缺損部位成骨細(xì)胞的附著、分化和礦化。Sun等將重組骨形態(tài)發(fā)生蛋白(recombinant human bone morphogenetic protein 2，rhBMP-2)負(fù)載于脫細(xì)胞膠原海綿后用于拔牙后位點(diǎn)保存術(shù)，發(fā)現(xiàn)手術(shù)位點(diǎn)頰側(cè)骨缺損可獲得顯著骨增量，在后期種植術(shù)中rhBMP-2組的有效骨量約達(dá)到對照組的兩倍，且骨增量隨rhBMP-2的劑量增加而增加[42]。

3 進(jìn)展與展望

可吸收生物膜的口腔臨床應(yīng)用已有30余年，主要應(yīng)用于牙周或骨組織再生術(shù)中，膜的材料和性能不斷被探索和改良。作為牙周再生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可吸收生物膜仍有很多進(jìn)步空間。大量體外和體內(nèi)研究已經(jīng)為抗微生物膜或負(fù)載生長因子膜的應(yīng)用提供了證據(jù)，但其對干細(xì)胞的作用機(jī)制尚需進(jìn)一步明確，對抗菌物質(zhì)、生物活性因子或細(xì)胞的控釋技術(shù)也是基礎(chǔ)和臨床研究的熱點(diǎn)之一。干細(xì)胞基礎(chǔ)療法、基因療法等已成為牙周再生的新興技術(shù)，在未來，可以開發(fā)載有干細(xì)胞的三維復(fù)合生物支架，并利用3D打印技術(shù)精確定制缺損部位的確切形狀，從而有效促進(jìn)軟組織和硬組織缺損的修復(fù)。此外，合成聚合物作為一種局部載體也成為基因治療中的熱點(diǎn)，可以利用治療水平的編碼蛋白減輕病損部位的免疫反應(yīng)和材料潛在的不良反應(yīng)。