殼聚糖在口腔頜面組織工程修復(fù)中的研究現(xiàn)狀

王苗，張風(fēng)河

（山東大學(xué)口腔醫(yī)院，濟(jì)南250012）

1 引 言

殼聚糖是由自然界廣泛存在的幾丁質(zhì)經(jīng)過脫乙酰作用后得到的天然陽離子多聚糖，其分子結(jié)構(gòu)與細(xì)胞外基質(zhì)中的糖胺聚糖相似，能黏附細(xì)胞，易于成膜，殼聚糖降解后可以產(chǎn)生葡萄糖胺和具有抗菌活性的殼寡糖，最終隨機(jī)體代謝排出體外，具有優(yōu)良的生物相容性和抗菌性［1］。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，殼聚糖被廣泛應(yīng)用于組織工程中，近年來在口腔組織再生中成為研究熱點(diǎn)，研究者將殼聚糖及其衍生物與其他材料復(fù)合制備出了三維多孔支架和緩釋生長因子的微球及納米微球，進(jìn)一步促進(jìn)了口腔組織工程學(xué)的發(fā)展。

2 殼聚糖在口腔頜面部組織工程支架中的應(yīng)用

2.1 骨組織工程支架

骨支架要求既在盡可能提高孔隙率的情況下有足夠的強(qiáng)度，又可被人體降解吸收，且支架材料的降解速度應(yīng)與新骨形成的速度相匹配，不應(yīng)在新骨形成之前降解，同時(shí)不應(yīng)阻礙骨組織的形成［2］。殼聚糖結(jié)構(gòu)與骨及軟骨基質(zhì)中的糖胺聚糖結(jié)構(gòu)相似，無抗原性，能促進(jìn)成骨細(xì)胞的粘附、生長、增殖和分化［3］，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)殼聚糖3D多孔支架生物相容性好，易于細(xì)胞和新生血管的長入，并能在大鼠皮下和肌內(nèi)能誘導(dǎo)異位成骨［4］，但由于其強(qiáng)度較低，脆性大，韌性差，降解速度慢，純殼聚糖支架不能滿足骨組織工程支架的要求，可通過與其他材料聯(lián)合制作復(fù)合支架。Miranda等發(fā)現(xiàn)殼聚糖與明膠絡(luò)合可使前者的強(qiáng)度增大、降解速度加快，通過改變殼聚糖和明膠的比例可以調(diào)節(jié)殼聚糖/明膠復(fù)合支架的降解速度［5］，由此推斷通過調(diào)節(jié)支架中以上兩種材料的比例即可滿足成骨速度不同部位的骨再生性修復(fù)；Zeng等［6］制備了絲素蛋白/殼聚糖多孔支架，并通過體外實(shí)驗(yàn)得出40%絲素蛋白、60%殼聚糖復(fù)合材料制備的支架最適于成骨細(xì)胞的生長，且降解速度穩(wěn)定，對細(xì)胞的親和力強(qiáng)，還可促使成骨細(xì)胞分泌胞外基質(zhì)；Saravanan等［7］通過冷凍干燥法制備了殼聚糖/明膠/氧化石墨烯復(fù)合支架，實(shí)驗(yàn)證明該支架機(jī)械性能顯著提高，可促進(jìn)大鼠脛骨缺損部位沉積膠原纖維；李婷等［8］利用珍珠層粉能促進(jìn)細(xì)胞成骨性分化的特點(diǎn)，制備了珍珠層粉/殼聚糖多孔支架，提高了支架的機(jī)械性能，經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)珍珠層粉與殼聚糖的質(zhì)量比為1：1時(shí)復(fù)合支架的孔隙率和降解性能最佳。以往的研究發(fā)現(xiàn)羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）與殼聚糖在改善材料生物學(xué)活性方面有協(xié)同促進(jìn)作用［9］，但因其難以降解，有暴露和引發(fā)感染的風(fēng)險(xiǎn)，阻礙了HA在組織工程支架中的應(yīng)用，近年來納米羥基磷灰石、納米生物陶瓷等的合成，改善了HA的生物學(xué)性能，表現(xiàn)出更優(yōu)良的生物相容性和吸附能力，王菲等［10］制備了納米羥磷灰石/殼聚糖/聚丙交酯支架，并通過細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)納米羥磷灰石：殼聚糖：聚丙交酯的質(zhì)量比為20∶10∶70時(shí)表現(xiàn)出良好的成骨誘導(dǎo)性。此外，較新的研究發(fā)現(xiàn)碳納米管在骨組織再生中具有廣闊的應(yīng)用前景，Ilbasmis-Tamer S等［11］制備了殼聚糖/多壁碳納米管復(fù)合支架并研究了其對軟骨細(xì)胞系的細(xì)胞毒性，得出該支架對軟骨細(xì)胞無明顯毒性，生物相容性好，為研究口腔頜面部新型骨組織工程支架奠定了基礎(chǔ)。

2.2 牙周組織工程支架

牙周組織包括牙槽骨、牙骨質(zhì)以及兩者之間的牙周膜韌帶，因此牙周組織再生包括軟組織再生和硬組織再生，并且支架應(yīng)該對牙周膜成纖維細(xì)胞的排列方向具有引導(dǎo)作用，使最終形成的牙周膜纖維垂直于牙骨質(zhì)表面分布，且兩端分別埋入牙槽骨和牙骨質(zhì)中，才能實(shí)現(xiàn)功能性的牙周組織再生，這增加了牙周組織工程的難度。Park等［12］通過3D打印技術(shù)制備了可引導(dǎo)牙周膜纖維生長方向的多孔支架，該支架具有垂直于牙骨質(zhì)表面的通孔，雖然新生的牙周膜纖維有一定的方向性，但在微觀結(jié)構(gòu)上，成纖維細(xì)胞的排列仍雜亂無章。Jiang等［13］在多孔殼聚糖支架中包埋了ε己內(nèi)脂-聚乙二醇納米纖維（見圖1），動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明經(jīng)納米纖維改進(jìn)后的多孔殼聚糖支架誘導(dǎo)再生的牙周膜纖維排列更加規(guī)則，但上述實(shí)驗(yàn)均僅在大鼠體內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，與人體組織相差較大，有待深入研究。

圖1 殼聚糖三維多孔支架包埋聚乙二醇納米纖維的過程［13］Fig 1 The procedure of porous 3D chitosan scaffold embedding polyethylene glycol nanofibers［13］

近年來，細(xì)胞膜片技術(shù)在牙周組織工程中的應(yīng)用，無需構(gòu)建支架即可實(shí)現(xiàn)牙周組織再生，但由于細(xì)胞膜片的機(jī)械性能差，多將其與支架材料或骨引導(dǎo)再生膜聯(lián)合應(yīng)用以取得較佳效果，因殼聚糖具有良好的成膜性，同時(shí)有抗菌和促進(jìn)血凝塊形成的作用，在制備GBR膜中具有廣闊的發(fā)展前景，如以殼聚糖為基質(zhì)，包括膠原、羥基磷灰石、多聚糖類等的兩種或多種材料制備成的復(fù)合膜。總體上殼聚糖復(fù)合膜從單層結(jié)構(gòu)向不均一多層結(jié)構(gòu)發(fā)展，形成具有多種生長因子納米緩釋系統(tǒng)的高質(zhì)量骨引導(dǎo)再生膜［14-16］。

2.3 神經(jīng)組織工程支架

神經(jīng)組織工程支架利用天然或人工合成的導(dǎo)管模擬神經(jīng)外膜或神經(jīng)束膜，導(dǎo)管內(nèi)充填條索狀、細(xì)管狀（模擬神經(jīng)內(nèi)膜管）或海綿狀物質(zhì)，作為引導(dǎo)雪旺氏細(xì)胞遷移和神經(jīng)軸突生長的通道。屈振宇等［17］通過用殼聚糖-膠原再生室修復(fù)兔面神經(jīng)缺損的實(shí)驗(yàn)證明殼聚糖-膠原膜能促進(jìn)面神經(jīng)生長，并能有效防止與周圍組織黏連、瘢痕形成和神經(jīng)瘤形成，這主要是因?yàn)闅ぞ厶悄艽龠M(jìn)神經(jīng)膜細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞的生長分裂，而抑制成纖維細(xì)胞的生長［18］。但殼聚糖脆性大，韌性差，F(xiàn)regnan等［19］利用3-縮水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷（3-Glycidoxypropyltrimethoxysilane，GPTMS）對神經(jīng)導(dǎo)管進(jìn)行了改進(jìn)，并經(jīng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明 GPTMS能增加殼聚糖/磷酸氫鹽神經(jīng)支架的強(qiáng)度且使降解速度更加平穩(wěn)。Wlaszczuk等［20］制備了由聚乳酸-羥基乙酸共聚物（poly（lactic-co-glycolic acid，PLGA）外膜和殼聚糖海綿狀核心組成的神經(jīng)支架，發(fā)現(xiàn)殼聚糖分子量改變或微晶結(jié)構(gòu)改變時(shí)，相同時(shí)間段內(nèi)神經(jīng)纖維的再生長度和炎癥反應(yīng)程度不同。

3 殼聚糖生長因子緩釋系統(tǒng)

由于殼聚糖具有良好的生物相容性、黏附性、輔助滲透性，且在凝膠過程中蛋白質(zhì)的羧基能與殼聚糖的氨基發(fā)生靜電吸引，故殼聚糖可作為生長因子的載體應(yīng)用于組織工程。此外，殼聚糖表面具有豐富的功能集團(tuán)，因此，可通過吸附或包裹兩種方式靈活運(yùn)載不同藥物，這是其他微球載體所不具備的功能［21］。已有大量研究利用殼聚糖微球或納米微球運(yùn)載轉(zhuǎn)換生長因子、骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2、血管內(nèi)皮生長因子等，并經(jīng)體外實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明殼聚糖生長因子緩釋系統(tǒng)能長期平穩(wěn)地釋放藥物，周慶梅等［22］通過對比實(shí)驗(yàn)表明復(fù)合殼聚糖/TGF-β微球的支架能進(jìn)一步促進(jìn)犬下頜骨骨組織再生。殼聚糖微球的制備方法較多，如溶劑揮發(fā)法、乳化交聯(lián)法、凝聚法等［23］，如何利用盡可能簡單且對生長因子生物活性破壞小的方法制備形態(tài)規(guī)則、緩釋效果好、具有靶向性的殼聚糖微球緩釋系統(tǒng)是亟待繼續(xù)研究的問題。此外，考慮到口腔組織再生的前提是盡可能控制炎癥反應(yīng)，為了同時(shí)達(dá)到控制炎癥和促進(jìn)細(xì)胞生長的目的，需要聯(lián)合使用抗炎藥物和生長因子，但許多一線抗炎藥是疏水性的，而牙源性生長因子是親水性的，單一組份的載體難以同時(shí)包埋以上兩種性質(zhì)相反的藥物，因此，復(fù)合載體的研究引起了學(xué)者的重視，Niu等［24］構(gòu)建了殼聚糖/聚乳酸納米微球，為了防止被溶酶體降解，研究者將納米微球在三聚磷酸鹽溶液環(huán)境里組裝成了直徑78μm的微球顆粒（見圖2），并包埋了醋酸氟輕松和骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（BMP-2），體外實(shí)驗(yàn)表明該殼聚糖/聚乳酸微球緩釋系統(tǒng)能平穩(wěn)地釋放藥物，在牙本質(zhì)再生及牙周組織再生中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。殼聚糖與其他材料復(fù)合制作的納米微球還能提高對親水性藥物的包埋率，增強(qiáng)緩釋效果，如Kim等［25］制備了運(yùn)載BMP-2和胰島素樣生長因子（insulin-like growth factor-1，IGF-1）的殼聚糖/膠原微球緩釋顆粒，通過體外實(shí)驗(yàn)證明所制備的微球載體能顯著提高緩釋系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性，并能降低IGF-1的初始釋放速度從而改善其緩釋性能。

圖2 雙極性殼聚糖-聚乳酸復(fù)合微球的制備［24］Fig 2 The preparation of bipolarity chitosan-polylactic microsphere［24］

4 小結(jié)

殼聚糖及其衍生物具有優(yōu)良的生物學(xué)特性，且廣泛存在于自然界，有巨大的應(yīng)用價(jià)值，近兩年來成為眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)，在口腔組織再生醫(yī)學(xué)中的研究價(jià)值也日益突出。殼聚糖多孔復(fù)合支架可用于頜面部骨組織再生、牙周組織再生、神經(jīng)組織再生等諸多領(lǐng)域，其機(jī)械強(qiáng)度較單純的多聚糖類支架明顯提高，且能抵抗感染、促進(jìn)種子細(xì)胞的黏附。生長因子作為組織工程必不可少的三因素之一，應(yīng)保證能在體內(nèi)緩慢持續(xù)釋放，即生長因子緩釋系統(tǒng)，隨著對殼聚糖的生化及物理特性的認(rèn)識不斷加深，研究者發(fā)現(xiàn)了殼聚糖作為生長因子載體的諸多優(yōu)點(diǎn)，并對制備方法和微粒結(jié)構(gòu)作了一系列改進(jìn)，使殼聚糖生長因子緩釋系統(tǒng)日趨成熟。將以上殼聚糖復(fù)合支架和納米微球緩釋系統(tǒng)結(jié)合可進(jìn)一步改善殼聚糖支架的生物降解性且表現(xiàn)出優(yōu)良的促組織再生的能力，并有望通過引入溶菌酶緩釋系統(tǒng)或磷酸鹽緩沖系統(tǒng)加快或減慢殼聚糖支架的降解速度［26］，從而實(shí)現(xiàn)支架的“可控性”降解。