靜電紡絲纖維作為牙周藥物傳遞系統(tǒng)的研究進展

程國平 丁一 郭淑娟

口腔疾病研究國家重點實驗室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學研究中心四川大學華西口腔醫(yī)院牙周病科 成都 610041

靜電紡絲技術是利用聚合物溶液或熔體在高壓電場作用下形成噴射流拉伸從而形成納米/微米級直徑纖維的技術。靜電紡絲纖維具有生物相容性好、比表面積大、孔隙率高、易改性和成本低等優(yōu)點，可用于合成核-殼結構纖維、中空結構纖維、三軸結構纖維等新型生物材料，在再生醫(yī)學、組織工程、創(chuàng)傷敷料、醫(yī)用紡織材料和藥物傳遞系統(tǒng)等領域研究廣泛，作為牙周藥物傳遞系統(tǒng)也具有良好的應用前景[1-3]。本文就靜電紡絲技術和靜電紡絲纖維作為牙周藥物傳遞系統(tǒng)的載藥方式、載藥類型、作用方式、應用形式及前景展望等方面進行綜述。

1 靜電紡絲技術

靜電紡絲技術最早可追溯到1882年Rayleigh關于施加電荷用以克服液滴表面張力的研究，F(xiàn)ormhals在1934年首次從丙酮/乙醇混合溶液中靜電紡絲出纖維素乙酸酯纖維，并申請了專利[3-4]。靜電紡絲的2種基本形式是溶液靜電紡絲和熔體靜電紡絲：溶液靜電紡絲操作簡便，制備的纖維直徑多為納米尺度，但殘存的有毒溶劑不易清除；熔體靜電紡絲安全、高效，制備的纖維多為微米尺度，但需非常高的靜電紡絲溫度[5]。

靜電紡絲纖維受聚合物特性（分子質(zhì)量、溶解度）、聚合物溶液（粘度、濃度、表面張力、pH值、結晶速度和電導率）、靜電紡絲參數(shù)（電壓、靜電紡絲液流速、噴絲口到收集器的距離、針頭直徑）及環(huán)境因素（溫度、相對濕度）等影響[6]。天然或合成聚合物是靜電紡絲原料的主要來源，天然生物大分子如膠原蛋白、殼聚糖、絲素蛋白和纖維蛋白，具有良好的生物相容性，但因其潛在的免疫原性、物理機械性能差和靜電紡絲難度大而應用受限，通過添加合成有機大分子如聚乙烯醇、聚環(huán)氧乙烷、聚己內(nèi)酯和聚乳酸-乙醇酸共聚物[poly(DL-lactic-co-glyycolic acid)，PLGA]等制備的靜電紡絲生物支架材料，具有良好的理化性能和生物相容性[7-8]。

2 載藥方式

靜電紡絲纖維作為牙周藥物傳遞系統(tǒng)的載藥方式主要包括涂層、浸泡、混合靜電紡絲、同軸靜電紡絲和多軸靜電紡絲法。涂層和浸泡法存在藥物有效轉(zhuǎn)化率低和突釋等缺點；混合靜電紡絲法可能影響包封生物活性分子的活性，藥物包封率低，且制備的纖維多無序排列[9-10]；同軸靜電紡絲法與多軸靜電紡絲法則可以合成核-殼結構纖維和三軸結構纖維等新型結構纖維，載藥效果更佳。

同軸靜電紡絲法可制備出具有核-殼結構的雙層納米纖維，可增強對生物活性分子的保護作用及緩釋效果，其核-殼結構的完整性是防止藥物爆發(fā)性釋放的關鍵因素，核結構的厚度和組成成分通過控制藥物包封率和藥物擴散過程中的潤濕行為來影響藥物釋放速率[11-12]。He等[11]以甲硝唑和柚皮素為研究對象，通過同軸靜電紡絲制備出復合纖維膜，搭載柚皮素的PLGA形成核結構纖維，搭載甲硝唑的聚乙烯形成殼結構纖維；體外釋藥曲線表明甲硝唑短期快速釋放，而柚皮素長期緩慢釋放。Ranjbar-Mohammadi等[13]以四環(huán)素為親水性模型藥物，PLGA和明膠為載體，通過混合靜電紡絲和同軸靜電紡絲分別制備PLGA、75% PLGA和50% PLGA復合納米纖維膜，明膠含量的增加使復合膜親水性增加；體外釋藥曲線顯示PLGA纖維膜和75% PLGA混合纖維膜總釋放量僅為35%，50% PLGA混合纖維膜第5 d總釋放量達到90%；同軸靜電紡絲制備的PLGA/明膠復合纖維膜具有核-殼結構，通過明膠核層包封四環(huán)素控制其釋放速率，使四環(huán)素釋放持續(xù)至第75 d，總釋放量為68.10%。

多軸靜電紡絲是在同軸靜電紡絲的基礎上改良而成，載藥性能得到進一步改善，可制備出多重結構化纖維，用于構建多重牙周藥物傳遞系統(tǒng)，精確控制不同藥物的釋放速率；也可制備三軸通道纖維，即單根纖維中存在3個不同的層（核層、中間層和殼層），藥物可搭載在一層或多層中，從而改變藥物的釋放時間曲線；也可以將中間層作為核層和殼層的隔離層，用作雙重藥物傳遞系統(tǒng)[14-15]。通過多軸靜電紡絲制備的具有聚L-丙交酯-己內(nèi)酯核層和蛋白質(zhì)/聚己內(nèi)酯/明膠共混物表面層多重結構的生物支架，表現(xiàn)出良好的骨再生和抗菌性能[16]。但由于工藝復雜，目前多軸靜電紡絲在牙周藥物傳遞系統(tǒng)方面的研究仍十分有限。

3 載藥類型

牙周病治療常用輔助藥物有抗菌藥物、非甾體抗炎藥物及生物活性分子等[17]。傳統(tǒng)生物材料（如薄膜、水凝膠、納米微粒和脂質(zhì)體）作為牙周藥物傳遞系統(tǒng)的研究表明，材料的組成成分及不同配比、制備方法、理化性能、生物相容性和生物可降解性是影響藥物釋放的主要因素[18]。

靜電紡絲纖維作為牙周藥物傳遞系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：可將一種或多種藥物包封在納米纖維內(nèi)，避免早期釋放和降解，提高藥物生物利用度，降低藥物毒性；可通過改變載藥纖維的孔隙率和親水性等以改善藥物溶出性能，實現(xiàn)快速釋放、延遲釋放、緩慢釋放或脈沖釋放等目的[7,19]。在靜電紡絲之前將藥物與載體鰲和，可提高藥物包封率，延長釋放時間[20]。

3.1 抗菌藥物

牙周病是由牙菌斑生物膜引起的牙周組織的慢性感染性疾病，將抗菌藥物加載到靜電紡絲纖維中，通過在特定牙位和位點緩慢釋放藥物來抑制細菌導致的炎癥反應。Schkarpetkin等[21]通過多噴嘴靜電紡絲技術制備了載氨芐西林和甲硝唑的雙層復合聚乳酸纖維；以載甲硝唑單層聚乳酸纖維為陽性對照組，高效液相色譜法分析顯示，載甲硝唑單層纖維在96 h內(nèi)釋放出76%，其中在5 min內(nèi)釋放了60%，而復合纖維96 h內(nèi)僅釋放出44%甲硝唑。

抗菌肽具有分子量低、抗菌活性高、穩(wěn)定性好、無免疫原性等優(yōu)點，近年來被廣泛研究[22]。He等[23]通過序列逐層靜電紡絲制備了包含屏障層和成骨層的雙層明膠/殼聚糖/羥磷灰石復合電紡膜，使用電噴霧技術將載有抗菌肽的PLGA微球（AMP@PLGA-MS）均勻地分散在整個膜中，AMP@PLGA-MS的高膨脹率使其在膜表面快速擴散，抗菌肽在第4 d釋放率達65%，而后隨著PLGA降解長期緩慢釋放；在4周時對大腸埃希菌和金黃色葡萄球菌抑制率分別為68.26%和77.36%；盡管體外研究表明其具有優(yōu)異的抗菌和成骨性能，但仍需體內(nèi)研究進一步驗證。

3.2 抗炎藥物

抗炎藥物通過調(diào)節(jié)機體的免疫炎癥反應，終止牙周病的進展。美洛昔康為一種非甾體抗炎藥物，Yar等[24]制備了分別搭載0.03%、0.06%、0.09%和0.12%美洛昔康的殼聚糖/聚乙烯醇/羥磷灰石復合靜電紡絲膜，對實驗組進行25～500 ℃的熱處理；使用掃描電子顯微鏡觀察到實驗組纖維直徑減小，孔徑增加；體外釋藥曲線表明，美洛昔康釋放速率與初始濃度呈正相關，0～5 h快速釋放，5～25 h以一定速率緩慢釋放完全；實驗組靜電紡絲膜具有高膨脹比，使美洛昔康釋放更加平穩(wěn)。

3.3 生物活性分子

生物活性分子是一類具有特定化學結構并在體內(nèi)能誘發(fā)特定的生物學效應的分子，包括生長因子、酶等，直接應用存在靶向性低、緩釋性不佳、有效轉(zhuǎn)化率低及可預期性差等缺點。將生物活性分子加入聚合物溶液中制備水凝膠等傳統(tǒng)方法存在有效轉(zhuǎn)化率低和突釋等不足[25]。靜電紡絲生物支架材料作為生物活性分子的緩釋系統(tǒng)，可在生物體內(nèi)獲得生物活性分子持續(xù)、可控制的釋放[26]。

Chen等[27]通過靜電紡絲制備出負載人重組牙骨質(zhì)蛋白（recombinant human cementum protein，rhCEMP）1的磷酸三鈣/聚己內(nèi)酯/膠原蛋白復合體，其中磷酸三鈣納米粒子形成核-殼結構，避免rhCEMP1在靜電紡絲過程中發(fā)生蛋白質(zhì)變性，同時促進rhCEMP1緩慢釋放。Xie等[28]以親水性聚乙烯亞胺（polyethylenimine，PEI）為核層載體，以疏水性PLGA為殼層載體，制備了負載骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2重組質(zhì)粒（bone morphogenetic protein-2 plasmid，pBMP2）的PEI/PLGA復合支架，具有清晰的核-殼結構；pBMP2的體外釋藥曲線顯示，在最初24 h內(nèi)的釋放量為31.98%，而后可持續(xù)釋放超過28 d，結果表明pBMP2包封在PEI/PLGA核-殼結構中，可避免pBMP2與有機溶劑直接接觸而發(fā)生變性及短時間高水平釋放，PEI/pBMP2顯示出高轉(zhuǎn)染效率，達到基因緩慢表達的目的。

3.4 其他

低濃度的地塞米松可促進人骨髓干細胞增殖、分化和相關蛋白質(zhì)合成[29]。El-Fiqi等[30]制備了載地塞米松的生物活性玻璃納米粒子（mesoporous bioactive glass nanoparticles，mBGn）/聚己內(nèi)酯/明膠靜電紡絲復合生物支架，體外釋藥曲線顯示地塞米松載藥率達63%，在24 h內(nèi)快速釋放35%，而后28 d內(nèi)緩慢釋放完全，可能與地塞米松與mBGn的易解離性和靜電紡絲纖維良好的親水性和降解性相關；同時mBGn提高了生物支架表面生物活性，緩慢釋放大量的鈣和硅酸鹽離子。

4 作用方式

靜電紡絲生物支架表面形貌可誘導干細胞通過整合素-配體整合方式黏附在其表面，進一步通過焦點黏鏈激酶（focal adhesionkinase，F(xiàn)AK）-類固醇受體輔助活化因子（steroid receptor coactivator，Src）途徑引發(fā)下游FAK/MEK（絲裂原活化蛋白激酶/細胞外信號調(diào)節(jié)激酶激酶，mitogenactivated protein kinase/extracellular signal-regulated kinase kinase）/細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）、磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，PKB，Akt）、骨形態(tài)發(fā)生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）和轉(zhuǎn)化生長因子（transforming growth factor，TGF）β/Smad途徑，促進干細胞增殖、分化及分泌細胞外基質(zhì)，其主要通過抗菌抗炎和促進成骨途徑實現(xiàn)牙周組織再生[31]。

4.1 抗菌抗炎

搭載甲硝唑和柚皮素的靜電紡絲纖維膜具有良好的抗菌活性，將大鼠骨髓間充質(zhì)干細胞接種在其表面，通過掃描電子顯微鏡可觀測到細胞具有典型的紡錘狀形態(tài)，表現(xiàn)出良好的黏附、遷移、增殖和成骨分化能力[11]。Batool等[32]通過牙周結扎+涂菌法構建大鼠實驗性牙周炎模型和機械去骨法構建大鼠牙周骨缺損模型，將搭載布洛芬的殼聚糖/聚己內(nèi)酯復合纖維膜分別植入這2種動物模型中，實驗組第7 d可見牙骨質(zhì)增多和骨樣組織生成，對照組在第15 d才檢測到相似結果，表明通過將布洛芬包封入殼聚糖層中，可避免其生物活性在靜電紡絲過程中遭受破壞，延長藥物作用時間。Chaturvedi等[19]選取7位慢性牙周炎患者（40個牙周位點）為研究對象，對照組僅進行潔刮術，試驗組將搭載多西環(huán)素的聚己內(nèi)酯靜電紡絲纖維膜作為潔刮術后的牙周輔助用藥，結果表明試驗組在治療后15和30 d的菌斑指數(shù)、牙齦指數(shù)、探診深度和探診出血指標改善明顯優(yōu)于對照組；體外實驗也表明，在6 h內(nèi)多西環(huán)素釋放30%～40%，而后隨著纖維降解而緩慢釋放，在19 d釋放完全。

4.2 促進成骨

將大鼠牙周膜干細胞接種到搭載地塞米松的mBGn/聚己內(nèi)酯/明膠靜電紡絲復合生物支架上，細胞堿性磷酸酶活性明顯增加，再分別植入大鼠皮下和顱骨缺損模型中，表現(xiàn)出良好的組織相容性和成骨作用[30]。將搭載rhCEMP1的磷酸三鈣/聚己內(nèi)酯/膠原蛋白復合生物支架與人牙周膜細胞共培養(yǎng)，可上調(diào)成牙骨質(zhì)標記物（牙骨質(zhì)形成蛋白和粘附蛋白）的表達，同時抑制成骨標記物（骨鈣蛋白和骨橋蛋白）的表達，具有良好的生物相容性和成牙骨質(zhì)誘導活性；植入兔臨界骨缺損模型中，可促進牙骨質(zhì)樣組織形成[27]。

5 應用形式

靜電紡絲纖維在作為牙周藥物傳遞系統(tǒng)應用的同時，還可作為牙周組織工程支架和屏障膜使用。Costa等[33]通過熔融沉積建模和熔體靜電紡絲的方法制備20% β-磷酸三鈣涂層雙相聚己內(nèi)酯靜電紡絲生物支架，包括無序纖維構成的骨室和有序纖維構建的牙周膜室，通過掃描電子顯微鏡觀察可見磷酸三鈣均勻涂布在支架表面，形成菜花狀結構，具有良好的物理穩(wěn)定性，與成骨細胞共培養(yǎng)6周，表現(xiàn)出良好的成骨誘導活性；將牙周膜細胞膜片和牙本質(zhì)塊結合在雙相聚己內(nèi)酯生物支架表面，共同植入裸鼠皮下8周，組織學檢查顯示在支架牙周膜室表面有成熟骨組織生成，少量纖維附著在牙本質(zhì)塊表面，且骨室和牙周膜室血管相互貫通生長。Bottino等[16]制備了一種新型牙周屏障膜，表面層面向骨缺損一側(cè)混入羥磷灰石納米粒子，表面層面向上皮組織一側(cè)混入甲硝唑，該靜電紡絲膜的生物相容性良好，機械性能和生物降解性均符合生物支架材料的要求，有望用于體內(nèi)引導牙周組織再生。當設計多層結構生物支架材料用于牙周藥物傳遞系統(tǒng)時，可通過將促成骨和成纖維生物材料聯(lián)合制備成復合體或有序纖維和無序纖維形成結構梯度，實現(xiàn)牙周膜和牙槽骨的協(xié)同再生。

6 前景展望

現(xiàn)階段的研究主要集中于如何控制靜電紡絲生物支架材料的孔隙率和纖維直徑、新型復合靜電紡絲材料的制備及細胞相容性的檢測評估，而大型動物實驗和臨床應用研究較少[34]?；趥鹘y(tǒng)靜電紡絲技術開發(fā)的牙周藥物傳遞系統(tǒng)生物材料生產(chǎn)率低，多噴嘴靜電紡絲技術有望達到工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模[35]。

目前靜電紡絲制備的納米纖維無法滿足理想牙周組織再生的要求，近場靜電紡絲通過降低噴絲口到收集器的距離（0.02～40 mm），在低壓電場下制備出高度有序排列的纖維，為實現(xiàn)牙周膜功能重建提供了可能，但是需要使用操作復雜并且昂貴的多軸顯微鏡控制單根纖維在X-Y軸上的排列方向[36]。

未來，靜電紡絲應與3D生物打印、快速成型、堆疊、分層等多種工藝結合，著重研究如何構建具有三維仿生結構的牙周藥物傳遞系統(tǒng)；或與水凝膠、脂質(zhì)體和納米微粒等藥物傳遞系統(tǒng)結合，以期獲得理想的藥物緩釋效果；或設計可根據(jù)外界條件（如光、溫度、pH值、電磁刺激）變化改變自身的理化性質(zhì)（如剛度、形狀和尺寸、親水性和功能性分子固定化）的新型靜電紡絲纖維，從而更好地引導細胞定向遷移、增殖和分化，實現(xiàn)真正的牙周組織再生。

7 結語

靜電紡絲是一種簡單、高效的制備納米及微米尺度纖維的技術，具有生物相容性好、比表面積大、孔隙率高、易改性和成本低等優(yōu)點，作為藥物傳遞系統(tǒng)在牙周病領域表現(xiàn)出良好的應用前景。隨著新原料的不斷加入，靜電紡絲技術本身的不斷改良以及與其他技術的結合，有望為牙周組織再生尋找到理想的載藥靜電紡絲材料。