支架微觀形貌和力學(xué)性能對管狀牙本質(zhì)再生的影響

劉藝萍 王玨 田子璐 翟培淞 王展麒 周延民 倪世磊

吉林大學(xué)口腔醫(yī)院種植中心，長春 130000

牙本質(zhì)根據(jù)所在區(qū)域的不同和礦化的差異分為管周牙本質(zhì)、管間牙本質(zhì)和球間牙本質(zhì)，管周牙本質(zhì)礦化程度最高并形成牙本質(zhì)小管的壁[1]，筆者在此定義具有類似天然牙本質(zhì)小管結(jié)構(gòu)的牙本質(zhì)為管狀牙本質(zhì)。天然牙本質(zhì)具有形態(tài)良好、排列有序的牙本質(zhì)小管，這些小管結(jié)構(gòu)決定了牙本質(zhì)生理功能的正常發(fā)揮，既有利于牙齒感受外部刺激，同時也為牙齒提供了機械支持[2-3]。但在組織工程的牙本質(zhì)再生研究中，產(chǎn)生的牙本質(zhì)小管多結(jié)構(gòu)紊亂、排列稀疏，甚至未出現(xiàn)牙本質(zhì)小管。目前，多數(shù)生成牙本質(zhì)小管的實驗涉及對支架微觀形貌和力學(xué)性能的改良。本文將綜述支架材料的微觀形貌和力學(xué)性能對管狀牙本質(zhì)再生的影響（圖1），旨在為管狀牙本質(zhì)再生研究提供思路。

1 牙本質(zhì)小管的形成與功能

牙本質(zhì)的形成是由成牙本質(zhì)細(xì)胞完成的。原發(fā)性牙本質(zhì)形成的初期，成牙本質(zhì)細(xì)胞在極化和延長的過程中不斷形成細(xì)胞器，極化標(biāo)志著成牙本質(zhì)細(xì)胞形態(tài)由對稱變?yōu)榉菍ΨQ，柱狀細(xì)胞體在面向髓腔側(cè)單層排列，并在面向釉質(zhì)的表面形成少量小而短的細(xì)胞突；成牙本質(zhì)細(xì)胞分化完成后，開始分泌牙本質(zhì)的有機基質(zhì)，此時成牙本質(zhì)細(xì)胞的長度約為30～40 μm，排列緊密并形成許多間隙連接，建立了具有上皮樣外觀的細(xì)胞層；接下來細(xì)胞體不斷向牙髓中心移動，留下細(xì)胞突埋在基質(zhì)中，細(xì)胞突周圍的牙本質(zhì)基質(zhì)發(fā)生礦化，進(jìn)而形成容納成牙本質(zhì)細(xì)胞突的管狀結(jié)構(gòu)，即牙本質(zhì)小管。由于每個成牙本質(zhì)細(xì)胞都在基質(zhì)中埋下一個單細(xì)胞突，因此有成千上萬的牙本質(zhì)小管從釉牙本質(zhì)界處穿過牙本質(zhì)到髓腔側(cè)。其中，牙本質(zhì)細(xì)胞的極化和排列是牙本質(zhì)小管形成的基本條件[4-5]。

圖1 管狀牙本質(zhì)再生相關(guān)影響因素Fig 1 Factors related to tubular dentin regeneration

組織形態(tài)良好的牙本質(zhì)小管與牙本質(zhì)生理功能的正常發(fā)揮相關(guān)。首先，有序排列的牙本質(zhì)小管在牙本質(zhì)感受外部刺激中發(fā)揮重要作用[6]。研究[2]表明，牙本質(zhì)對各種刺激敏感的原因是牙本質(zhì)小管內(nèi)部的感覺性A-δ纖維與小管液的水動力學(xué)活動相關(guān)聯(lián)，若新生的牙本質(zhì)不具有組織形態(tài)學(xué)良好的牙本質(zhì)小管而類似于修復(fù)性牙本質(zhì)，即使再生的A-δ纖維到達(dá)牙髓與牙本質(zhì)連接處，牙的感覺功能也可能異常。牙本質(zhì)小管的微觀結(jié)構(gòu)還可能為牙髓再生提供獨特的微環(huán)境[7]，其三維結(jié)構(gòu)可能是細(xì)胞附著和分化的先決條件[8]，開放的牙本質(zhì)小管能通過促進(jìn)細(xì)胞突延伸到牙本質(zhì)小管中，而促進(jìn)細(xì)胞的分化[9]。此外，牙本質(zhì)獨特的管狀結(jié)構(gòu)也能為牙齒提供強有力的機械支持[3]。

然而，目前多數(shù)再生的牙本質(zhì)類似修復(fù)性牙本質(zhì)，牙本質(zhì)小管排列紊亂，并明顯彎曲，部分區(qū)域小管數(shù)目少甚至不含小管，形態(tài)更類似骨，又稱骨樣牙本質(zhì)，這使得牙本質(zhì)功能無法正常發(fā)揮。而成牙本質(zhì)細(xì)胞的形態(tài)變化與極化排列是形成牙本質(zhì)小管的基礎(chǔ)[5]，因此，如何調(diào)控牙本質(zhì)再生過程中成牙本質(zhì)細(xì)胞的生長是管狀牙本質(zhì)再生的關(guān)鍵。

2 支架的微觀形貌

2.1 孔隙特征

高孔隙率的特性可能與牙本質(zhì)再生質(zhì)量直接相關(guān)。有孔的支架相對無孔的支架更利于細(xì)胞進(jìn)入支架內(nèi)部空間，而促進(jìn)干細(xì)胞黏附、增殖和分化[10-12]。且高孔隙率的支架具有更大的表面積，更能模擬細(xì)胞生長的體內(nèi)微環(huán)境而支持細(xì)胞生長[11,13]。多孔支架的封閉環(huán)境還能促進(jìn)細(xì)胞自分泌和旁分泌功能從而利于其牙源性分化，羥磷灰石/磷酸三鈣復(fù)合陶瓷制造成60%孔隙率的多孔支架時，能再生出牙本質(zhì)樣組織，而將其制成顆粒狀和纖維型支架時，則再生出骨樣組織[14]。聚-D,L-丙交酯/乙交酯通過氣體發(fā)泡/顆粒浸出工藝處理形成孔徑為250～425 μm的多孔隙形態(tài)支架后，與根尖乳頭干細(xì)胞共培養(yǎng)，能夠再生出牙本質(zhì)小管樣結(jié)構(gòu)[15]。細(xì)胞能在該支架上緊密附著，且形成了類似纖維的基質(zhì)，這利于管狀牙本質(zhì)的再生。但孔隙率并非越高越好，而應(yīng)存在最佳范圍。用孔隙率分別為25%、50%、65%和75%的雙相磷酸鈣支架培養(yǎng)人牙髓細(xì)胞，孔隙率65%的支架組牙本質(zhì)相關(guān)基因和堿性磷酸酶表達(dá)量最高，最利于支持細(xì)胞分化和牙本質(zhì)再生[16]。因此，為了再生出高質(zhì)量的管狀牙本質(zhì)，也應(yīng)選擇適當(dāng)孔隙率的高孔隙率支架。

再生管狀牙本質(zhì)可能需要孔徑較大的支架。牙本質(zhì)再生過程中，較大孔徑的支架可為細(xì)胞生長提供足夠的空間并且促進(jìn)牙本質(zhì)相關(guān)蛋白的釋放，研究[17]證明大孔徑支架利于誘導(dǎo)人牙囊細(xì)胞的增殖以及向成牙本質(zhì)細(xì)胞分化。El-Backly等[18]發(fā)現(xiàn)，孔徑范圍為30～300 μm的支架較孔徑范圍為8～250 μm的支架更有利于有序的管狀牙本質(zhì)的再生?？赡苡捎诖罂子欣陬惞琴|(zhì)樣基質(zhì)的形成，而微孔則有利于牙本質(zhì)樣基質(zhì)的沉積。該實驗第2周時大孔較多的支架能形成更多類骨質(zhì)樣組織，為牙髓干細(xì)胞的黏附和分化提供更大的表面積進(jìn)而形成了形態(tài)更好的管狀牙本質(zhì)。但適宜管狀牙本質(zhì)再生的具體孔徑范圍還需要進(jìn)一步研究。

支架三維層面的孔隙結(jié)構(gòu)與分布特點也對管狀牙本質(zhì)的再生有重要影響。Vallés-Lluch等[19]運用聚（甲基丙烯酸乙酯-羥乙基丙烯酸酯）（poly(ethyl metha crylate-co-hydroxyethyl acrylate)，P(EMA-co-HEA)）與二氧化硅的合成支架，再生出典型的管狀牙本質(zhì)。該支架具有類似天然牙本質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)和分布特點，呈均勻分布的圓柱狀孔，因而模擬了干細(xì)胞黏附和生長的天然環(huán)境而有利于牙本質(zhì)生成。具有高度互連孔結(jié)構(gòu)的纖維聚（L-乳酸）支架也被證明支持了牙髓干細(xì)胞的牙源性分化和牙本質(zhì)樣組織的形成[20]，孔的這種結(jié)構(gòu)特點允許細(xì)胞從周圍組織遷移到孔內(nèi)因而能為細(xì)胞生長提供良好的環(huán)境[21-22]?？梢?，管狀牙本質(zhì)再生時對支架三維結(jié)構(gòu)的設(shè)計不可忽視。

2.2 尺寸

作為一種比表面積大、顆粒尺寸小、生物相容性高的材料，近年來，納米材料被廣泛應(yīng)用于牙的再生中。有多項實驗[23-24]證明了納米材料比非納米材料更能促進(jìn)人牙髓干細(xì)胞的黏附、增殖和牙源性分化。

Wang等[25]以20 nm的納米生物活性玻璃（nanobioactive glass，n-BG）作為支架時，能夠再生出具有組織結(jié)構(gòu)良好的牙本質(zhì)小管和極化排列的成牙本質(zhì)細(xì)胞樣細(xì)胞的牙本質(zhì)樣組織，且厚度均勻并連續(xù)，而在微米級的BG（microscale BG，m-BG）上產(chǎn)生的牙本質(zhì)更稀薄。管狀牙本質(zhì)的成功再生與該納米支架的特性相關(guān)。例如，納米材料有較高的表面積與體積比，這使它降解速度快，而能夠為擴增的細(xì)胞和再生組織提供空間[26]；納米結(jié)構(gòu)還可以改善營養(yǎng)、氧氣供應(yīng)且能夠促進(jìn)細(xì)胞代謝廢物的清除，有助于細(xì)胞生長和細(xì)胞外基質(zhì)的產(chǎn)生[27]；有研究[28]表明，20 nm粒徑大小納米材料利于細(xì)胞的增殖與活性；納米級別的材料通過促進(jìn)蛋白質(zhì)與材料表面之間的靜電相互作用，增強蛋白質(zhì)的吸附力，進(jìn)而改善再生過程中細(xì)胞的黏附力[29-30]；此外，與微米級的材料相比，納米級的材料具有較大的表面積和孔體積[31]，這可能會使n-BG釋放的離子量增加（硅、鈣等），利于調(diào)節(jié)成牙本質(zhì)細(xì)胞的排列過程，從而使細(xì)胞在n-BG表面比在m-BG表面更規(guī)則地排列[25]。

2.3 形狀

將支架設(shè)計為開放有序的管狀也是再生策略之一，可能由于管狀結(jié)構(gòu)類似于天然牙本質(zhì)小管形態(tài)。一項實驗[32]以結(jié)構(gòu)高度有序的管狀基質(zhì)作為支架成功再生出形態(tài)及功能良好的管狀牙本質(zhì)，而利用非管狀結(jié)構(gòu)支架的再生結(jié)果不具有這些特征。該管的密度為2×104mm-2，孔徑為2～5 μm。相對于非管狀結(jié)構(gòu)支架，管狀結(jié)構(gòu)的支架更利于控制牙髓干細(xì)胞的排列、遷移、極化和分化；且管狀基質(zhì)的每個管狀孔均完全開放，這可能利于細(xì)胞突延伸到牙本質(zhì)小管；在分子水平上，管狀基質(zhì)支架可能激活絲裂原激活的蛋白激酶/細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶/1/2信號傳導(dǎo)途徑，從而促進(jìn)細(xì)胞分化和管狀牙本質(zhì)形成[11]。另一項實驗[33]中，管狀結(jié)構(gòu)支架還被證明對細(xì)胞分化有促進(jìn)作用，實驗用類似牙本質(zhì)管狀結(jié)構(gòu)的管徑20 μm微管狀支架培養(yǎng)小鼠牙髓干細(xì)胞，較扁平非管狀支架的對照組，更利于干細(xì)胞向成牙本質(zhì)細(xì)胞分化，并且促進(jìn)分化的作用隨著微管密度的增加而加強。

3 支架的力學(xué)性能

3.1 剛度

牙本質(zhì)再生中，調(diào)節(jié)支架剛度可以直接影響再生組織類型，提升支架剛度可能利于管狀牙本質(zhì)再生。當(dāng)以不同剛度的P(EMA-co-HEA)支架材料進(jìn)行牙本質(zhì)再生時，發(fā)現(xiàn)以高剛度的材料作為支架能再生形成更典型的管狀牙本質(zhì)。這可能是由于高剛度的P(EMA-co-HEA)支架具有更接近于人類牙本質(zhì)的壓縮模量，不易變形，再生過程中保持了完整的形態(tài)，進(jìn)而為細(xì)胞生長提供良好的空間，利于細(xì)胞分泌基質(zhì)[19]。另外，材料的剛度還可能調(diào)節(jié)相關(guān)細(xì)胞信號通路進(jìn)而影響干細(xì)胞的黏附、增殖、遷移和分化[34-35]，進(jìn)而影響再生組織類型及質(zhì)量。Qu等[36]提出，高剛度[壓縮模量為（18.23±0.54）kPa]的明膠基質(zhì)更有利于牙本質(zhì)形成，而低剛度[壓縮模量為（0.89±0.43）kPa]的明膠基質(zhì)有利于形成牙髓組織。

3.2 機械強度

一項利用微圖案化的明膠基質(zhì)作為支架的實驗[11]再生出了形態(tài)和功能良好的管狀牙本質(zhì)，該支架拉伸強度在干燥和潮濕時分別為（7.67±0.88）MPa和（2.79±0.13）MPa，這可能是利于牙髓干細(xì)胞分化的適當(dāng)機械強度。合適的機械強度可維持細(xì)胞向材料內(nèi)生長和基質(zhì)產(chǎn)生所需的空間[37]。還有學(xué)者[38]提出，機械強度高的材料，具有優(yōu)異的機械穩(wěn)定性，更利于牙髓干細(xì)胞分化和牙本質(zhì)樣組織的形成。但利于牙本質(zhì)小管產(chǎn)生的具體機械強度還需要進(jìn)一步研究。

3.3 其他

目前成功再生管狀牙本質(zhì)的實驗中，對支架力學(xué)性能的研究還不夠深入。另外，除剛度和機械強度外，其他力學(xué)性能，如硬度[39]，也被證實與牙髓干細(xì)胞的生長相關(guān)。若旨在成功再生出管狀牙本質(zhì)，其他力學(xué)性能作為影響因素同樣不能忽視。

4 結(jié)語

隨著醫(yī)學(xué)、生物學(xué)與材料學(xué)的不斷的發(fā)展，促進(jìn)牙本質(zhì)再生成為修復(fù)牙體組織缺損和治療牙的相關(guān)疾病的新方法，組織工程牙本質(zhì)再生越來越受到研究人員的關(guān)注。管狀牙本質(zhì)的再生直接影響到再生牙本質(zhì)的機械強度和感覺功能等。支架能提供細(xì)胞生長的微環(huán)境，其微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能是影響組織工程牙本質(zhì)再生的重要因素。如何調(diào)整支架特性，進(jìn)一步結(jié)合生長因子促進(jìn)管狀牙本質(zhì)的再生，進(jìn)而使再生的牙本質(zhì)具有更接近天然牙本質(zhì)的生物學(xué)特性，將是未來組織工程牙本質(zhì)再生研究中的重要方向。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。