牙周組織再生材料應(yīng)用研究進展

王 暢，張 茜，劉 悅，梁 琛，曲星源，王 雷

(吉林大學(xué)口腔醫(yī)院牙周科，吉林 長春 130021)

牙周炎是一種常見疾病，會引起牙周組織的破壞。組織工程學(xué)和引導(dǎo)組織再生技術(shù)是牙周組織再生的主要策略。組織工程學(xué)通過支架形成組織工程構(gòu)建體從而實現(xiàn)組織再生；引導(dǎo)組織再生技術(shù)則是在根部表面放置屏障膜，防止上皮遷移到骨缺損處來實現(xiàn)組織再生。目前，組織工程支架材料和屏障膜的研究都取得了一定進展，尤其是復(fù)合材料能彌補單一材料存在的缺陷，性能更佳，能更好地促進牙周組織再生。為此，作者在簡單介紹組織工程學(xué)和引導(dǎo)組織再生技術(shù)的基礎(chǔ)上，詳細對組織工程支架材料、引導(dǎo)組織再生屏障膜的應(yīng)用研究進展進行綜述，以期為高性能牙周組織再生材料的創(chuàng)新應(yīng)用提供幫助。

1 牙周組織再生策略

1.1 組織工程學(xué)

種子細胞、支架材料和生物材料是組織工程學(xué)的3個基本要素。組織工程學(xué)是通過支架將種子細胞播種到生物材料基質(zhì)上，形成“組織工程構(gòu)建體”，待成熟后作為假體植入體內(nèi)，繼而發(fā)生再生過程，支架降解，新形成的組織就位。

在牙周組織再生中，支架起著關(guān)鍵作用[1]。支架材料包括天然有機聚合物、合成有機聚合物及無機聚合物。天然有機聚合物以殼聚糖、藻酸鹽、膠原蛋白、明膠為代表，具有很高的生物相容性和抗菌潛力，可以識別細胞、促進細胞增殖和分化，但機械強度較低；合成有機聚合物是脂肪族聚醚，如聚己內(nèi)酯、聚乳酸、聚乙醇酸及其共聚物等，在促進細胞黏附、遷移和增殖方面不及天然有機聚合物，但可以調(diào)節(jié)機械強度和降解速率以達到最佳性能；無機聚合物最常見的是生物玻璃。它們均具有特定的機械和物化特性，如生物相容性、生物可降解性、特定結(jié)構(gòu)特征和骨誘導(dǎo)能力[2]。

1.2 引導(dǎo)組織再生技術(shù)

引導(dǎo)組織再生技術(shù)是通過在根部表面放置屏障膜實現(xiàn)的。屏障膜可以防止牙齦組織和牙根表面組織接觸，阻止牙齦在骨腔中生長，將牙周組織細胞選擇性地引導(dǎo)到牙根表面，實現(xiàn)牙周組織再生[3]。屏障膜應(yīng)具有生物相容性和生物可降解性，不釋放任何有毒副產(chǎn)物；具備合適的表面和多孔的三維結(jié)構(gòu)，利于細胞附著、遷移、增殖、分化和浸潤；能促進細胞生長和組織成熟；具有較高的機械強度。屏障膜分為不可吸收和可吸收兩種，前者如醋酸纖維素濾膜、橡膠壩、經(jīng)過特殊處理的膨化聚四氟乙烯和致密聚四氟乙烯，因其不可吸收性需二次手術(shù)才能去除，故具有高感染風(fēng)險；后者可一次手術(shù)完成，在臨床更具有吸引力[3]。

2 組織工程支架材料在牙周組織再生中的應(yīng)用

2.1 生物玻璃

生物玻璃是一種堅硬、無定形且具有生物相容性的無機聚合物，主要成分是硅、鈣、磷及鈉的氧化物。在生物玻璃中摻入金屬離子浸泡于流體中時，鹽沉淀形成，與羥基磷灰石層發(fā)生復(fù)雜的離子交換，具有結(jié)合骨骼的能力，可促進細胞遷移和黏附，從而促進牙周組織再生。生物玻璃還可以調(diào)節(jié)基因表達并促進細胞分化，這是組織修復(fù)的重要步驟[4]。

將玻璃態(tài)無定形相與某些晶體混合，可獲得高機械性能的復(fù)合材料，如由溶膠衍生的生物玻璃；也可以在室溫下溶膠-凝膠反應(yīng)時原位摻入生物相容性和可吸收性聚合物。此外，在溶膠-凝膠反應(yīng)時加入表面活性劑，可以更好地控制離子與周圍環(huán)境的交換，產(chǎn)生更有序的多孔結(jié)構(gòu)，負載生物分子，使其持續(xù)釋放[4]。

2.2 生物陶瓷

生物陶瓷具有無限的可用性、生物相容性、親水性及骨傳導(dǎo)性，可以促進未分化細胞向成骨細胞譜系分化，是骨骼重建、牙周組織再生的首選材料[5]。在牙周組織再生過程中，其化學(xué)成分、孔徑、幾何形狀、表面微結(jié)構(gòu)和比表面積均起重要作用[6]。

羥基磷灰石是最常見的生物陶瓷，可促進細胞黏附和增殖，但體內(nèi)吸收速率緩慢。β-磷酸三鈣是另一種生物陶瓷，誘導(dǎo)牙周組織細胞與生物材料之間形成牢固鍵，吸收速率較快[6]。羥基磷灰石和β-磷酸三鈣按一定質(zhì)量比混合得到的雙相β-磷酸三鈣可以控制自身生物活性、維持穩(wěn)定性，即使在較大牙周缺損時也可以誘導(dǎo)牙周組織再生。通過凝膠澆鑄和聚合物海綿法，可以得到質(zhì)量比為40∶60的雙相β-磷酸三鈣，它是一種多孔陶瓷，具有更合理的孔徑、孔壁厚度和孔隙率，從而控制其降解性[5]。

2.3 殼聚糖

殼聚糖是天然的堿性聚合物，無毒，具有生物相容性和生物可降解性，是藥物遞送系統(tǒng)的理想載體。殼聚糖有纖維、水凝膠、薄膜等形式，能夠在牙周組織工程治療中用作二維或三維支架。殼聚糖本身不具有骨誘導(dǎo)性或骨傳導(dǎo)性，須與其它分子(生長因子、牙齒間充質(zhì)干細胞或羥基磷灰石)結(jié)合才能促進牙周組織再生[7]。

2.4 聚乳酸及聚乳酸-聚乙醇酸共聚物

聚乳酸被廣泛用于牙周組織再生。但是酸性環(huán)境影響牙齦縫隙的形成與功能，而聚乳酸的酸性降解產(chǎn)物使pH值降低，導(dǎo)致牙周組織炎癥加重[8]。基于聚乳酸的親水性差，將殼聚糖摻入聚乳酸支架中，可改善其親水性，減少產(chǎn)酸，調(diào)節(jié)降解速率。

聚乳酸-聚乙醇酸共聚物具有生物相容性、高機械性能、加工易成形、可生物降解等特性，可制成3D支架用于組織工程和藥物遞送系統(tǒng)。聚乙醇酸具有更多的晶體結(jié)構(gòu)和更優(yōu)的親水性，聚乳酸/聚乙醇酸分子比是決定聚乳酸-聚乙醇酸共聚物生物降解速率的主要參數(shù)之一，含75%聚乳酸的共聚物較含50%聚乳酸的共聚物具有更明顯的無定形結(jié)構(gòu)、更低的親水性和更低的降解率。此外，聚乙醇酸的機械性能較聚乳酸的強，增加聚乙醇酸的占比可提高聚乳酸-聚乙醇酸共聚物的機械性能和物理特性[9]。

2.5 聚ε-己內(nèi)酯

聚ε-己內(nèi)酯具有生物相容性和生物可降解性，熔點低，彈性大，延展性好，斷裂伸長率高，機械剛度較差但易于加工，特別是處于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(-60 ℃)時。聚ε-己內(nèi)酯還具有疏水性，由于脂族酯主鏈的水解作用，其生物降解速率較其它聚酯材料慢，有利于穩(wěn)定牙周和缺損部位組織成熟期間的微環(huán)境[9]。

2.6 氧化石墨烯

氧化石墨烯是納米碳族的一個成員，通過石墨的氧化和剝離而得。氧化石墨烯具有親水性，表面氧官能團豐富且分散性好，可通過共價鍵吸引活性物質(zhì)和試劑，具有細胞相容性并促進干細胞增殖分化[10]。氧化石墨烯可以與絲纖蛋白結(jié)合，氧化石墨烯-涂覆鈦種植體和氧化石墨烯-涂布膠原膜可以促進細胞增殖成骨。氧化石墨烯具有細胞毒性，能夠進入細胞質(zhì)和細胞核，誘導(dǎo)細胞膜損傷和凋亡[11]，不利于其應(yīng)用。氧化石墨烯的細胞毒性主要取決于劑量和作用時間。

2.7 介孔材料

介孔材料是一種孔徑為2～50 nm的納米材料，孔隙率高，比表面積大，可以負載更多的生長因子并改善生物活性和細胞附著。研究[12]表明，納米羥基磷灰石的磷酸酶活性高于微米羥基磷灰石，利于干細胞增殖分化。納米羥基磷灰石/殼聚糖復(fù)合支架已被用于骨骼與牙周組織再生。

2.8 靜電紡絲材料

支架材料通常分為天然材料、合成材料和復(fù)合材料，通過靜電紡絲技術(shù)可以得到各類纖維材料。對于天然材料，如膠原通過靜電紡絲技術(shù)進行交聯(lián)可使支架材料穩(wěn)定；明膠可以形成用于生物活性封裝和控制釋放的納米纖維；殼聚糖用甘油預(yù)處理后可防止收縮，變得柔軟，易于制備靜電紡絲材料；絲素蛋白靜電紡絲材料可用于牙周藥物輸送。對于合成材料，聚ε-己內(nèi)酯靜電紡絲材料可維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在傷口愈合過程中減少纖維化；聚乳酸靜電紡絲材料可以誘導(dǎo)牙周膜細胞促炎性介質(zhì)的表達；聚乙醇酸降解速度比聚乳酸快，尤其是聚乙醇酸靜電紡絲材料；聚氨酯靜電紡絲材料可用于藥物輸送，持續(xù)釋放抗生素；聚丁二酸丁二酯靜電紡絲材料具有出色的加工性能。對于復(fù)合材料，則是添加另一種物質(zhì)來改變靜電紡絲材料溶液的成分和性能，如聚環(huán)氧乙烷是必不可少的助紡劑，可提高溶液的黏度，賦予材料良好的機械性能[13]。

研究[14]表明，通過靜電紡絲技術(shù)將小分子二甲基草酰甘氨酸和無機納米材料納米硅酸鹽摻入聚乳酸-聚乙醇酸纖維中，可開發(fā)出一種用于牙周組織再生的雙功能結(jié)構(gòu)纖維膜。納米硅酸鹽使纖維膜具有更好的拉伸強度和良好的生物相容性，有利于細胞黏附和生長，促進成骨和血管生成分化；植入缺損牙周后，纖維膜通過募集基質(zhì)細胞，促進血管生成與骨重塑，最終形成功能性牙骨質(zhì)-牙周膜韌帶，修復(fù)缺損牙周。

基于每種生物材料的特性和局限性，將不同的生物材料結(jié)合，可以通過協(xié)同作用提高支架材料的機械性能、生物相容性和生物可降解性。如將生物陶瓷與聚醚結(jié)合，可以降低其脆性和成型難度[6]；將生物陶瓷與聚合物基質(zhì)結(jié)合，可以提高其機械性能[15]；將納米羥基磷灰石與殼聚糖結(jié)合，可顯著提高生物相容性和機械強度，調(diào)節(jié)降解率；將二甲基草酰甘氨酸與納米硅酸鹽結(jié)合，可達到最佳的促進牙周組織再生效果，是牙周組織再生的前瞻性策略，小分子和納米材料的良好穩(wěn)定性決定了小劑量和低成本，有利于批量生產(chǎn)。為再生醫(yī)學(xué)提供了新希望。

3 引導(dǎo)組織再生屏障膜在牙周組織再生中的應(yīng)用

3.1 雙層膜

摻入硼的生物玻璃可促進生長因子和細胞外基質(zhì)釋放，提高生物可降解性和生物活性。研究[16]表明，由醋酸纖維素?zé)o孔層和醋酸纖維素/明膠多孔纖維層組成的非對稱雙層膜可同時用于屏障和再生；摻入7%硼后，雙層膜的性能更佳，親水性、生物活性、生物可降解性和骨誘導(dǎo)性均得到改善，并且強度降低；雙層膜的透水性和親水性可能與孔隙率有關(guān)；增加雙層膜中生物玻璃的含量，會導(dǎo)致接觸角減小，可能是表面粗糙度增加及Si-O-Si形成所致，適合細胞黏附的最佳接觸角范圍為55°～75°。這是首次開發(fā)的由醋酸纖維素溶劑流延膜層和靜電紡絲技術(shù)制備的雙層膜。在生物玻璃中摻入硼和非對稱膜的設(shè)計可促進干細胞附著、遷移和成骨細胞分化。

3.2 三明治支架屏障膜

聚己內(nèi)酯具有較高的機械性能和生物相容性，其降解和吸收緩慢，疏水性和結(jié)晶性較好；明膠具有成本低、生物活性高的優(yōu)點，但是機械性能差，降解過快。二者結(jié)合的聚己內(nèi)酯/明膠復(fù)合支架具有優(yōu)良的降解速率、親水性和機械性能，通過改變聚己內(nèi)酯和明膠的比例可以調(diào)節(jié)復(fù)合支架的理化性質(zhì)。殼聚糖具有宿主免疫排斥最小、生物相容性和生物可降解性好、抗菌等特點，還能增強細胞黏附，促進細胞分化。研究[17]表明，用殼聚糖將兩層聚己內(nèi)酯/明膠納米纖維牢固地粘合在一起，制作成類似三明治結(jié)構(gòu)的多功能復(fù)合支架，進而改良為屏障膜，通過調(diào)節(jié)聚己內(nèi)酯和明膠的比例，三明治狀復(fù)合支架表現(xiàn)出良好的生物活性，可以防止細胞浸潤。由于殼聚糖的止血性能和多孔結(jié)構(gòu)，三明治狀復(fù)合支架具有很強的凝血能力，可用作臨床生物材料，并且有望用于牙周組織再生。

3.3 3D打印屏障膜

用于軟組織再生的水凝膠是可固化的聚合物，可制成機械固體支架，水凝膠和固化狀態(tài)都可以與細胞結(jié)合。將明膠、彈性蛋白和透明質(zhì)酸鈉混合在一起，通過3D打印得到屏障膜，用于引導(dǎo)組織再生，可以促進細胞黏附、維持穩(wěn)定性和彈性、參與細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。3D打印屏障膜一側(cè)有小孔，另一側(cè)有大孔，可容納不同的成骨細胞、成纖維細胞和角質(zhì)形成細胞群，易于手術(shù)操作[18]。

3.4 功能化屏障膜

研究[19]表明，具有可調(diào)仿生特性的肽分子給屏障膜生物功能化為內(nèi)源性祖細胞歸巢和分化提供了可能性；產(chǎn)生了可在紫外線下聚合的含自組裝賴氨酸的聚二乙炔，促進牙周細胞黏附和分化，提高細胞活性與附著力。這種功能化技術(shù)使屏障膜一端聚集并引導(dǎo)祖細胞，另一端發(fā)揮屏障的功能。靜電紡絲屏障膜有助于容納祖細胞，并促進其分化成再生的相應(yīng)譜系。將肽附加到可聚合的聚二乙炔上有助于產(chǎn)生用于藥物治療和宿主免疫調(diào)節(jié)的生物分子。

4 結(jié)語

組織工程學(xué)和引導(dǎo)組織再生技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于牙周組織再生。然而，目前對于牙周組織再生材料的種類、性能與效果的研究還遠遠不夠，今后應(yīng)致力于開發(fā)性能更好、效果更佳的材料，加強材料合成技術(shù)的研究，為牙周組織再生提供幫助。