位點保存材料的研究進(jìn)展

李貝貝 陳志宇 袁 碩 王金梅 孟令強(qiáng)

作者單位：050017石家莊，河北醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院·口腔醫(yī)院，修復(fù)科，河北省口腔醫(yī)學(xué)重點實驗室，河北省口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心（孟令強(qiáng)為通訊作者）

與幾十年前相比，隨著人們對口腔健康重視程度的提高，且保存牙齒的技術(shù)也進(jìn)步了許多，原本許多拔牙適應(yīng)癥的牙已可成功地進(jìn)行牙體缺損修復(fù)，但仍有許多患者因為齲病、牙周病、外傷、發(fā)育性疾病等原因造成患牙的不可保留，需要拔除。位點保存術(shù)（site preservation）[1]是指在拔牙的同時或隨后，采取一定措施，最大程度減少牙槽嵴的吸收，為后期種植修復(fù)提供足夠的骨量和良好的骨質(zhì)。拔牙窩的形態(tài)、軟組織愈合的類型、移植材料的類型、屏障膜的使用和生長因子、生物活性分子的使用等都會對位點保存的最終效果產(chǎn)生影響。本文就位點保存術(shù)的軟硬組織保存及組織工程材料新進(jìn)展進(jìn)行綜述。

一、軟組織保存

軟組織的早期閉合對于保護(hù)膜和骨移植材料，以防止成骨過程中上皮細(xì)胞侵入影響成骨過程，是非常重要的。為了保證拔牙窩在不受干擾的環(huán)境中愈合，必須通過適當(dāng)?shù)钠ぐ昕p合來保證軟組織閉合，這就需要有足夠的軟組織，且縫合時應(yīng)相對被動和無張力[2，3]。影響傷口愈合的另一個關(guān)鍵因素是血凝塊的穩(wěn)定性。因為血凝塊促進(jìn)肉芽組織的形成，肉芽組織隨后轉(zhuǎn)化為骨。此外，血凝塊中含有大量的細(xì)胞因子（如IL-1、IL-8、TNF）、生長因子（如PDGF、IGF）和信號分子，這些信號分子有助于招募細(xì)胞促進(jìn)血管生成和骨再生。在大多數(shù)臨床治療中，只有通過放置屏障膜才能避免上皮細(xì)胞和結(jié)締組織侵入，從而保證血栓的穩(wěn)定性。目前臨床常用的屏障膜分為兩種，不可吸收性膜和可吸收性膜。

1.不可吸收性屏障膜：包括聚四氟乙烯膜、鈦膜、生物性硅酮膜等，其中以聚四氟乙烯膜用得最多。但是，不可吸收性屏障膜因為不能被吸收，需要二次手術(shù)取出[4]，增加術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生率，所以不可吸收性屏障膜應(yīng)用受到了限制[5]。

2.可吸收性屏障膜：包括膠原膜、聚乳酸膜、鎂合金膜等。這些膜可以在體內(nèi)分解，形成新骨，不需要通過二次手術(shù)取出。其中使用最多的是膠原膜。膠原膜具有良好的細(xì)胞親和性和生物相容性，但成本較高，且吸收期與正常組織愈合程序不完全相同，使其屏障作用受到影響。除了膠原膜，目前國內(nèi)外許多學(xué)者[6]對鎂合金進(jìn)行了廣泛的研究。鎂因材料密度和彈性模量等方面與人骨接近[7]，且易降解吸收，并且其降解過程可促進(jìn)鈣的沉積而被廣泛研究，但其降解速度如何與骨形成的速度相匹配，同樣是一個難以攻克的難題?；谝陨喜豢晌蘸涂晌漳ご嬖诘闹饕秉c，不對稱結(jié)構(gòu)多功能性膜、緩釋抑菌性生物膜[8]、復(fù)合生物化功能性膜應(yīng)運而生。無機(jī)/有機(jī)復(fù)合材料是由生物陶瓷材料和高分子材料復(fù)合制備而成的材料，既具有無機(jī)材料的骨誘導(dǎo)性、骨傳導(dǎo)性及生物活性，又具有高分子材料優(yōu)異的力學(xué)性能及降解性，可以滿足骨修復(fù)材料的要求。國內(nèi)外許多學(xué)者通過3D打印的方法制備不同比例的生物陶瓷材料與高分子材料復(fù)合膜，喬庚[9]將不同重量比例的納米羥基磷灰石（nano-hydroxyapatite，n-HA）/聚乳酸（polylactic acid，PLA）/聚 乙 烯 醇（polyvinyl alcohol，PVA）（n-HA/PLA/PVA）進(jìn)行復(fù)合，張海峰等[10]將聚乳酸-羥基磷灰石支架材料進(jìn)行3D打印應(yīng)用于動物實驗，都取得了較好的實驗效果，為口腔屏障膜的研發(fā)提供了很好的方向?？谇黄琳夏げ牧细倪M(jìn)和制造方法的創(chuàng)新是現(xiàn)階段研究的重點，尤其是3D打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用。舊材料不斷改良、新技術(shù)不斷應(yīng)用于口腔屏障膜材料，使口腔屏障膜不僅安全有效且價格更為低廉，使其更好的服務(wù)于口腔疾病的患者，但距離真正的廣泛應(yīng)用還有一段距離。

二、骨組織保存

目前，“完美的”骨移植材料還沒有開發(fā)出來，尚需進(jìn)一步努力。在生物化學(xué)、生物工程和納米技術(shù)的輔助下，以細(xì)胞因子和/或基因修飾藥物為主要成分的復(fù)合型骨再生材料的開發(fā)，為骨再生開辟了新的領(lǐng)域[11]。目前臨床上常用的骨材料主要有以下幾種：

1.自體骨：自體骨由于具有良好的骨傳導(dǎo)、骨誘導(dǎo)和骨再生能力，被認(rèn)為是骨移植的“金標(biāo)準(zhǔn)”，另外，還有一種自體牙骨粉。

2.同種異體骨：是指來自于同種但不同屬于一個個體，被挑選、處理和保存在骨庫中。通常有新鮮冰凍骨、凍干骨、脫礦凍干骨。這些材料具有骨傳導(dǎo)和骨誘導(dǎo)性[12]。與自體骨相比，骨形成緩慢且誘導(dǎo)能力低，吸收快，容易傳播疾病。

3.異種骨：指植入物來自于與受體相關(guān)的不同物種的供體，以相對可承受的成本進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。目前臨床上應(yīng)用廣泛的Bio-Oss骨粉，另外還有馬骨[13]、豬骨[14，15]、藻類和珊瑚類[16]等異種骨移植材料，但這些異種骨吸收潛能低，通常只有骨傳導(dǎo)性，可以與生長因子或其他來源的骨移植結(jié)合應(yīng)用。

4.人工合成骨：所有的蛋白都被移除，只能作為三維支架支持細(xì)胞生長和骨形成，增加細(xì)胞黏附和增殖[17]，它們的化學(xué)成分、幾何結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能是骨重建成功的關(guān)鍵因素[18]。目前臨床上應(yīng)用最廣的是羥基磷灰石（HA）和磷酸鈣（TCP）。為彌補(bǔ)其無骨誘導(dǎo)性的缺陷，一般需要與細(xì)胞因子或自體骨聯(lián)合使用。

5.組織工程材料：組織工程是一項涉及細(xì)胞、支架和生長因子組合的協(xié)同工作的工程。組織工程是一個不斷發(fā)展的研究領(lǐng)域，如骨、肌肉和軟骨再生等領(lǐng)域不斷出現(xiàn)新的發(fā)展。例如，傳統(tǒng)的骨移植材料往往是脆性的，缺乏優(yōu)化的孔隙率，并不能很容易地適應(yīng)患者特定的需求。三維（3D）打印技術(shù)的進(jìn)步使骨再生支架的制造成為可能。骨是一種納米復(fù)合材料，70%的骨基質(zhì)由納米羥基磷灰石組成，其長度一般為20～80nm，厚度為2～5nm。骨細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix of bone，ECM）中的其他蛋白成分也是納米級的，這種納米級ECM在骨中緊密包圍和影響間充質(zhì)干細(xì)胞、成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的黏附、增殖和分化。在組織工程中，生物材料被用來作為支架，為骨和軟骨再生建立特定的ECM。支架與細(xì)胞和其他生物分子，如骨形成蛋白（BMP）、血小板源性生長因子（PDGF）、濃縮生長因子（CGF）一起使用，它支持細(xì)胞定植、粘附，并通過刺激成骨分化參與體內(nèi)骨形成和組織再生。CAO等[19]將BMP-2多肽、E7通過靜電力輔助錨定在3D打印的α-磷酸三鈣生物支架材料上，結(jié)果表明α-磷酸三鈣支架復(fù)合E7、BMP-2緩釋系統(tǒng)具有更優(yōu)的骨誘導(dǎo)能力。支架應(yīng)該具備以下四點要求[20]：首先是幾何性質(zhì)。骨支架需要有最佳大小和相互連接的多孔空間來容納細(xì)胞，允許營養(yǎng)物質(zhì)和代謝廢物進(jìn)出細(xì)胞。第二個要求與材料的性能有關(guān)。這些材料必須具有骨傳導(dǎo)性、生物相容性和生物可降解性，在細(xì)胞的初始附著以及隨后的細(xì)胞滲透和礦化階段起著至關(guān)重要的作用。第三項要求與支架的機(jī)械性能有關(guān)，可以承載種植體。最后，支架應(yīng)能夠調(diào)節(jié)植入部位內(nèi)部及周圍的生物活性分子。目前常用的支架主要有兩種[21]：一是納米纖維，是指在材料的三維空間尺度上有兩維處于納米尺度的線（管）狀材料，通常是直徑或厚度為納米尺度而長度較大。靜電紡絲是一種利用靜電力開發(fā)具有多種材料的三維納米纖維支架的一種用途廣泛、前景廣闊的方法。在骨組織工程中，納米纖維支架因其模擬了天然的骨的ECM，與骨組織中的膠原纖維相似而被認(rèn)為是最接近理想的支架材料[22]。能否成功制備靜電紡絲的主要影響因素有：紡絲液的性質(zhì)，可控變量，環(huán)境變量等[23]。目前，有各種各樣的材料用于制作骨和軟骨組織支架，主要為天然聚合物（膠原蛋白、殼聚糖、纖維蛋白原等），合成聚合物（聚已內(nèi)酯，聚乳酸等）和混合材料（負(fù)載納米銀顆粒的聚已內(nèi)酯等）[24]。二是水凝膠，它是一種低粘度的材料，便于注射給藥，可吸收，并且可以在體內(nèi)交聯(lián)形成非常堅硬的支架。水凝膠具有類似于ECM的結(jié)構(gòu)，它可以將蛋白質(zhì)或細(xì)胞捕獲在網(wǎng)孔中，并根據(jù)需要釋放所需物質(zhì)。由于水凝膠具有較高的持水能力（與軟組織的持水能力相似），因此比其他3D支架更能維持細(xì)胞的生存能力。然而，傳統(tǒng)水凝膠機(jī)械性能不足、降解速率與骨再生不匹配、材料植入方法單一[25]。近年來“刺激響應(yīng)型水凝膠”被引入骨修復(fù)領(lǐng)域，其能夠感受溫度、光照、PH和磁場等外界物理化學(xué)刺激，進(jìn)而在三維形狀、固液相態(tài)等性質(zhì)上觸發(fā)轉(zhuǎn)變，使骨修復(fù)的治療實現(xiàn)微創(chuàng)化，并且可以精準(zhǔn)匹配復(fù)雜的骨缺損，這使其成為骨組織工程中新的支架材料[26]。許多研究人員試圖設(shè)計各種復(fù)合材料（金屬納米顆粒復(fù)合納米纖維、陶瓷材料復(fù)合水凝膠等）使支架的力學(xué)性能與骨骼的力學(xué)性能相匹配，以獲得相同的硬度和強(qiáng)度。Villa等[27]制備了膠原-羥基磷灰石（Col-HAP）復(fù)合支架，將小鼠BMSC接種到支架上并移植入小鼠顱骨缺損中，結(jié)果顯示3周后顱骨缺損幾乎完全被充滿，且數(shù)周后支架被自身基質(zhì)金屬蛋白酶降解。復(fù)合材料的仿生性能和優(yōu)異的理化特性對促進(jìn)細(xì)胞的生長和組織再生起著至關(guān)重要的作用。

3D打印技術(shù)應(yīng)與數(shù)字醫(yī)學(xué)成像、有限元分析、虛擬手術(shù)計劃、運動捕捉等技術(shù)相結(jié)合，以滿足生物材料的復(fù)雜性。另外，在4D打印中[28，29]，3D打印的構(gòu)件被設(shè)計成隨著時間的推移，根據(jù)環(huán)境的刺激進(jìn)行變化。值得注意的是，在4D打印支架制作過程中，應(yīng)考慮軟骨和骨缺損應(yīng)用的靶組織所有微觀和宏觀方面的生理變化，將醫(yī)學(xué)成像、計算機(jī)建模、精確的個性化設(shè)計以及3D和4D生物打印技術(shù)引入到組織工程中，將有助于以低成本的方式構(gòu)建功能強(qiáng)大的骨和軟骨替代物。由于組織工程材料具備誘導(dǎo)成骨的性能，可為患者提供“個性化自體骨移植”，目前，組織工程骨作為骨再生替代材料的“鉑金標(biāo)準(zhǔn)”成為近年來的研究熱點，我們希望在不久的將來能有一個經(jīng)濟(jì)有效的骨移植材料可以更好的填充于拔牙窩內(nèi)，作為位點保存的骨填充材料，隨著時間的推移，可以獲得最佳的成骨效果。