納米材料在口腔骨缺損再生中的研究進(jìn)展

吳夢(mèng)婷 任 聰 周云芳 江銀華

1.浙江中醫(yī)藥大學(xué)研究生院，浙江杭州 310053；2.浙江省麗水市人民醫(yī)院口腔科，浙江麗水 323000

人體口腔內(nèi)骨骼主要由有機(jī)物（膠原蛋白等）和無機(jī)物（羥基磷灰石，hydroxylapatite，HA）組成。健康的骨骼不僅可以提供剛度和韌性以承受高負(fù)荷，也提供物理化學(xué)和機(jī)械化學(xué)性能以維持細(xì)胞的生物活性。但如果發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞/疾病（如創(chuàng)傷、感染或關(guān)節(jié)炎），原本可以適應(yīng)其功能結(jié)構(gòu)對(duì)缺損進(jìn)行自我修復(fù)的骨組織也可能會(huì)失去自我再生能力，因此尋找可以促進(jìn)骨再生的骨植入物一直是一個(gè)緊迫的問題。傳統(tǒng)的牙頜骨缺損修復(fù)材料主要包括自體骨、異基因骨、異種骨、脫鈣骨基質(zhì)、生物陶瓷和金屬材料等，然而，除了骨量有限的自體骨外，其他材料均具有免疫排斥和生物活性低的缺點(diǎn)。相比之下，隨著納米科技的不斷進(jìn)步，納米材料在重大疾病的診療、分子探針、3D 納米結(jié)構(gòu)的制備、藥物緩控釋制劑和靶向遞送等方面更是顯示出強(qiáng)大的應(yīng)用前景。作為一種可應(yīng)用的再生醫(yī)學(xué)工具，納米材料已被證明對(duì)成骨細(xì)胞和骨源性干細(xì)胞行為的多個(gè)方面具有調(diào)節(jié)作用，包括黏附、遷移、增殖、細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)、遺傳表達(dá)和調(diào)控干細(xì)胞命運(yùn)等。因此，在生物材料中引入納米顆粒將引發(fā)定向細(xì)胞行為，同時(shí)賦予骨骼結(jié)構(gòu)和機(jī)械優(yōu)勢(shì)，以誘導(dǎo)功能組織的形成。所以在口腔牙頜骨等骨組織的刺激再生的治療中納米材料的應(yīng)用一直是一個(gè)新穎的策略。本文將對(duì)近年來許多骨缺損再生修復(fù)所應(yīng)用的納米材料相關(guān)研究論文進(jìn)行總結(jié)，分別討論三種納米材料（納米纖維、納米粒子和智能納米材料）在骨缺損修復(fù)再生中的研究進(jìn)展與應(yīng)用潛能，以及相應(yīng)納米材料在骨缺損修復(fù)再生中對(duì)細(xì)胞行為的調(diào)節(jié)機(jī)制。

1 用于骨缺損再生的納米纖維材料

基于膠原纖維的排列存在兩種骨骼結(jié)構(gòu)：致密骨和海綿狀骨。在致密的骨骼中，平行排列的膠原纖維由無機(jī)顆粒（特別是HA）組成以形成骨質(zhì)，平均直徑為100μm。能夠模仿天然組織結(jié)構(gòu)的納米纖維以其高表面積與體積比，易于控制組件以及模仿基質(zhì)屬性的能力（包括相互連接的納米孔和表面納米形貌）而受到廣泛關(guān)注。

1.1 靜電紡絲納米纖維材料

靜電紡絲是用于制造組織工程的納米纖維的最常見方法，其產(chǎn)生的纖維直徑低至納米級(jí)，類似于天然骨細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）的纖維結(jié)構(gòu)。目前使用的主要材料有聚乳酸羥基乙酸共聚物[（poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA）]、聚乙醇酸（polyglycolide，PGA）、聚己內(nèi)酯（polycaprolactone，PCL)、殼聚糖和膠原等。Li 等將納米HA、明膠引入靜電紡絲PLGA 納米纖維中制成復(fù)合納米纖維，表現(xiàn)出較好的骨誘導(dǎo)活性和生物相容性。由于單純納米纖維材料很難實(shí)現(xiàn)骨缺損良好的修復(fù)，因此，人們考慮通過支架材料與藥物、基因和生物活性分子復(fù)合來更好地促進(jìn)骨修復(fù)的效果。Cao 等制備了由PCL 電紡纖維制成的引導(dǎo)骨再生膜，該膜表現(xiàn)出優(yōu)異的抗感染和免疫調(diào)節(jié)性能，通過調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)促進(jìn)骨再生。因此，納米纖維是可以應(yīng)用于口腔骨再生的潛在材料。雖然靜電紡絲納米纖維在骨缺損再生領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是由于這種納米纖維孔隙率較小，導(dǎo)致其空隙內(nèi)細(xì)胞的增殖受阻，所以無法作為細(xì)胞載體使用。因此，進(jìn)一步研究如何增大納米纖維的孔隙將極大拓展其應(yīng)用范圍。

1.2 納米纖維（孔）支架材料

納米纖維材料還可以設(shè)計(jì)為纖維支架，理想的纖維支架可以模擬ECM的三維結(jié)構(gòu)，具有許多優(yōu)點(diǎn)：①多孔結(jié)構(gòu)用于支持細(xì)胞黏附、生長(zhǎng)和遷移，以促進(jìn)細(xì)胞支架相互作用；②足夠的彈性和機(jī)械性能；③降解速度可控；④新骨形成均勻分布，避免骨壞死；⑤很小的體內(nèi)炎癥和毒性。Yadav 等制備了一種二硫化鉬（molybdenum disulfide，MoS）納米片，該納米復(fù)合支架（HA/MoS）成功地促進(jìn)了成骨細(xì)胞分化。與HA 相比，納米復(fù)合支架表現(xiàn)出更高的細(xì)胞黏附力、細(xì)胞增殖和HA 活性。此外，通過相分離制造的支架具有特定的孔徑和通道相互連通的多孔結(jié)構(gòu)，以允許細(xì)胞融合和骨重塑階段的血管形成。Sedghi 等基于將PCL 連接到殼聚糖上合成了一種具有高生物活性的新型復(fù)合納米纖維，所制備的納米纖維表現(xiàn)出更高的力學(xué)性能、抗菌活性和細(xì)胞附著力，且由于三唑環(huán)的引入而增強(qiáng)了體內(nèi)骨礦化能力。在納米纖維中添加額外的納米成分以改善其性能也是可行的。例如，在納米纖維支架上添加氧化石墨烯可以促進(jìn)細(xì)胞黏附，成骨分化和骨再生。摻入3D 多孔支架中的生物活性納米顆粒也增強(qiáng)了細(xì)胞黏附和成骨細(xì)胞生長(zhǎng)。此外，包括聚多巴胺和多肽的生物活性分子也可用于納米纖維支架。

納米多孔支架是具有納米尺寸孔徑的材料，材料的孔隙率會(huì)影響細(xì)胞和血管的浸潤(rùn)，從而促進(jìn)與環(huán)境組織的整合。Greiner 等使用硅氧化合物納米顆粒熱交聯(lián)成納米復(fù)合材料，以制造仿生納米孔隙并誘導(dǎo)成骨分化。最近一些關(guān)于介導(dǎo)的骨再生的研究表明，納米孔結(jié)構(gòu)和孔徑會(huì)影響巨噬細(xì)胞的細(xì)胞形狀和運(yùn)動(dòng)，并隨后調(diào)節(jié)自噬和成骨信號(hào)通路的表達(dá)和激活，對(duì)炎性反應(yīng)、破骨和成骨具有重要作用。此外，材料的納米孔可以通過類似于天然組織/基質(zhì)結(jié)構(gòu)來逃避宿主的炎癥系統(tǒng)。例如，Velard等比較了幾種具有不同納米孔的HA 支架的炎癥作用。HA 支架表現(xiàn)出最大的基質(zhì)沉積，還促進(jìn)了骨折部位最高性能的血管生成，因此，具有納米孔的HA 支架可能是牙頜骨再生中免疫調(diào)節(jié)的理想材料。

2 用于骨缺損再生的納米粒子

納米顆?？梢杂绊懝窃偕煌姆绞?。例如，生物材料在植入后必須提供結(jié)構(gòu)性支撐骨缺損部位。納米顆?？梢宰鳛橐环N良好的增強(qiáng)劑，以獲得具有良好機(jī)械性能的納米材料骨再生的特性和穩(wěn)定性。其次，納米顆?？梢员患尤氲讲牧现幸垣@得具有可調(diào)節(jié)機(jī)械強(qiáng)度，可用于誘導(dǎo)干細(xì)胞采用擴(kuò)展的形狀有利于成骨分化，最后納米顆粒本身可能具有促進(jìn)成骨的能力用于骨再生。

2.1 基于骨缺損修復(fù)的納米粒子遞送系統(tǒng)

納米醫(yī)學(xué)的最新研究表明，工程納米材料可以用作靶向運(yùn)輸?shù)妮d體，用于遞送各種藥物和生物活性分子，這些藥物和生物活性分子可以調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞，破骨細(xì)胞和免疫調(diào)節(jié)細(xì)胞之間的交叉效應(yīng)。關(guān)于靶向遞送生物分子以調(diào)節(jié)骨免疫學(xué)的研究已經(jīng)得到了廣泛的研究。如Li 等制備的多功能二氧化鈦納米管實(shí)現(xiàn)了促成骨多肽和抗炎細(xì)胞因子白細(xì)胞介素（interleukin 4，IL）-4 的受控共遞送，為骨再生形成創(chuàng)造了有利的微環(huán)境。因此，為遞送細(xì)胞黏附基序和抗炎細(xì)胞因子量身定制的Ti 底物可以協(xié)同作用地創(chuàng)造有利的骨免疫微環(huán)境，以增強(qiáng)早期成骨。納米級(jí)載體遞送蛋白質(zhì)可以對(duì)全身免疫反應(yīng)產(chǎn)生積極影響，從而增強(qiáng)骨骼形成。Vantucci 等制備了負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白2（bone morphogenetic protein 2，BMP-2）的肝素甲基丙烯酰胺微粒（heparin methyl acrylamide particles，HMP），HMP 遞送載體具有適當(dāng)劑量的BMP-2 刺激免疫效應(yīng)細(xì)胞（如T 細(xì)胞）并增加了與骨再生相關(guān)的細(xì)胞因子的分泌?？傊?，已經(jīng)提出了各種策略來調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)和增加成骨，例如細(xì)胞因子、蛋白質(zhì)、核酸或免疫調(diào)節(jié)劑的遞送。因此，合理選擇具有納米級(jí)載體的生物活性分子以實(shí)現(xiàn)牙頜骨缺損再生的成功治療具有重要意義。

2.2 骨缺損修復(fù)中納米粒子的設(shè)計(jì)

納米材料在藥物、生長(zhǎng)因子和遺傳物質(zhì)的遞送設(shè)計(jì)中主要考慮化學(xué)性質(zhì)、柔韌性和孔隙率。利用納米顆粒作為載體來傳遞生物活性分子已被證明是骨再生的有效策略。如Nah 等通過最初使用硫醇-PEG-維生素D 將維生素D 與金納米顆粒（gold nanoparticles，GNP）結(jié)合，其中這種生物啟發(fā)材料通過維生素D 和GNP 之間的硫醇基團(tuán)很好地結(jié)合。將生物分子和藥物摻入GNP 中可以用作制造功能性納米材料以維持骨穩(wěn)態(tài)的新策略。

添加納米顆粒來制造納米復(fù)合材料可以增強(qiáng)其機(jī)械穩(wěn)定性、生物相容性和免疫調(diào)節(jié)活性。Makvandi 等合成了含有β-磷酸三鈣、透明質(zhì)酸和納米銀的可注射熱敏水凝膠，促進(jìn)了間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化，并對(duì)革蘭陽(yáng)性和革蘭陰性細(xì)菌表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌活性，這些載藥納米顆粒可以控制和靶向沉默促炎因子，具有巨大的骨免疫修飾潛力。

3 “智能”納米材料

研究表明，將“智能”納米材料（如磁性納米顆粒）引入對(duì)磁場(chǎng)有反應(yīng)的“智能”納米材料到骨修復(fù)材料中可能是提高骨折材料性能的新方法。骨骼需要?jiǎng)討B(tài)機(jī)械刺激來形成和維持功能性組織。然而，在口腔內(nèi)骨損傷中，許多修復(fù)的治療方法通常缺乏機(jī)械刺激。磁場(chǎng)可以通過影響電荷粒子的運(yùn)動(dòng)，膜系統(tǒng)的滲透性和生物大分子的磁矩取向來引起細(xì)胞生理和生化過程的變化。因此，磁性納米粒子可以用作通過直接靶向細(xì)胞表面機(jī)械傳感器和從外部磁場(chǎng)傳遞力來傳遞機(jī)械刺激的方法，從而產(chǎn)生可遠(yuǎn)程控制的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)。如Riegler 等報(bào)道了超順磁性氧化鐵納米顆?？捎糜谌梭w間充質(zhì)干細(xì)胞的體內(nèi)標(biāo)記和成像，它們的納米顆粒不會(huì)對(duì)細(xì)胞活力、分化或分泌模式產(chǎn)生負(fù)面影響，但可以導(dǎo)致家兔模型中球囊血管成形術(shù)后細(xì)胞保留量增加6 倍。Henstock 等通過將磁性納米顆粒連接到機(jī)械門控的TWIK 相關(guān)的K通道（TWIK—related Kchannel 1，TREK1）或人間充質(zhì)干細(xì)胞的（整合素）精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸結(jié)合來功能化磁性納米顆粒，發(fā)現(xiàn)通過納米顆粒接受機(jī)械刺激的細(xì)胞比未標(biāo)記的對(duì)照細(xì)胞能更廣泛地礦化骨骺注射部位。納米顆粒標(biāo)記的細(xì)胞也被接種到膠原水凝膠中，以評(píng)估組織工程構(gòu)建體中的成骨作用。上述研究發(fā)現(xiàn)，通過靶向TREK1 誘導(dǎo)機(jī)械逆行誘導(dǎo)導(dǎo)致礦化增加2.4 倍，基質(zhì)密度顯著增加。在此兩種模型中，通過將機(jī)械刺激與聚合物微球中BMP-2 的持續(xù)釋放相結(jié)合，觀察到對(duì)礦化的顯著加性效應(yīng)。

綜上所述，納米顆粒介導(dǎo)的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)可以與藥理學(xué)方法一起使用，可以最大限度地提高口腔缺損骨的修復(fù)再生。

4 納米材料對(duì)細(xì)胞行為的調(diào)節(jié)機(jī)制

納米材料在植入體內(nèi)后對(duì)損傷骨的修復(fù)再生作用取決于它們的物理化學(xué)特性。納米材料的表面化學(xué)、形貌、接枝分子、納米結(jié)構(gòu)形態(tài)、疏水性、降解性、生物相容性和組成性質(zhì)均是需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)，這里詳細(xì)討論了工程納米材料通過調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞、骨細(xì)胞、細(xì)胞因子和生長(zhǎng)因子有效促進(jìn)骨形成和骨愈合的潛在機(jī)制。

納米材料的表面化學(xué)對(duì)免疫系統(tǒng)，特別是巨噬細(xì)胞有重大影響。通過采用親水官能團(tuán)、表面電荷和生物礦物質(zhì)等實(shí)現(xiàn)納米材料的表面修飾對(duì)于骨組織修復(fù)具有重要意義。研究表明，與疏水表面相比，納米材料的親水表面有助于減少巨噬細(xì)胞和異物巨細(xì)胞的形成，并增強(qiáng)植入物的骨整合。此外，親水性表面通過增強(qiáng)抗炎因子IL-10 的分泌以及抑制IL-1β、IL-6 和IL-8 等促炎因子的分泌，可以顯著促進(jìn)巨噬細(xì)胞向愈合相關(guān)的交替激活巨噬細(xì)胞（alternatively activated macrophage，M2）極化。因此，親水性納米材料可以誘導(dǎo)有利的免疫微環(huán)境，以促進(jìn)骨組織修復(fù)并加速骨折愈合。材料的表面電荷對(duì)骨細(xì)胞微環(huán)境也具有重要影響。與陽(yáng)離子底物相比，陰離子底物有效地增加了成骨作用，因?yàn)殛庪x子表面可以抑制促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生并誘導(dǎo)有利的骨修復(fù)微環(huán)境，還通過巨噬細(xì)胞來源的細(xì)胞外囊泡影響巨噬細(xì)胞極化，從而招募宿主間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cells，MSC）并加速內(nèi)源性骨再生。

綜上所述，納米材料可以通過控制免疫反應(yīng)直接促進(jìn)骨再生。除了表面化學(xué)性質(zhì)外，納米材料的物理性質(zhì)，如形貌、粗糙度、孔隙度和孔徑等也會(huì)影響骨形成和相關(guān)細(xì)胞功能。納米材料的表面形貌可以通過改變細(xì)胞形狀和彈性來調(diào)節(jié)細(xì)胞反應(yīng)。巨噬細(xì)胞的功能、表型和極化可以通過材料形貌的改變來實(shí)現(xiàn)。納米級(jí)的表面粗糙度也被證明可以通過調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)來影響成骨細(xì)胞的黏附、增殖和分化。此外，由于氧氣或蛋白質(zhì)等生物分子的滲透，骨植入物的孔隙率和孔徑對(duì)于臨床應(yīng)用非常重要，這些生物分子也可以影響成骨和免疫調(diào)節(jié)。

納米材料還可以模仿天然骨骼的分層結(jié)構(gòu)，為營(yíng)養(yǎng)、廢物交換，細(xì)胞間通訊、細(xì)胞遷移、增殖和分化提供有利的微環(huán)境。在不同維度水平的納米結(jié)構(gòu)可以提供特定的環(huán)境線索來調(diào)節(jié)細(xì)胞行為并喚起相應(yīng)的免疫反應(yīng)，從而促進(jìn)干細(xì)胞在骨形成早期的募集和成骨分化。值得注意的是，具有3D 宏觀/微觀/納米尺度結(jié)構(gòu)的材料可以模仿天然骨骼的分層結(jié)構(gòu)，這種獨(dú)特的骨樣交錯(cuò)納米接口可以促進(jìn)內(nèi)源性骨再生過程中的M2 型巨噬細(xì)胞極化、IL-4 分泌和宿主MSC 募集，通過誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞極化進(jìn)入M2表型，顯著加速了骨折愈合。分層的納米材料支架通過調(diào)節(jié)單核細(xì)胞激活p38 MAPK 信號(hào)傳導(dǎo)，促進(jìn)了骨髓基質(zhì)細(xì)胞的募集和分化以及新生血管形成，從而創(chuàng)造了有利的骨修復(fù)微環(huán)境。

5 小結(jié)和展望

納米材料的形貌、粒徑、孔隙率，離子釋放、結(jié)構(gòu)效應(yīng)和智能響應(yīng)都可以影響口腔內(nèi)骨組織再生的能力。盡管目前專注于基于納米材料的療法的研究已經(jīng)取得了快速發(fā)展，但臨床轉(zhuǎn)化率仍然相對(duì)較低。未來納米材料在臨床口腔科骨缺損修復(fù)治療中的推廣將是關(guān)鍵挑戰(zhàn)。使用具有精確微環(huán)境響應(yīng)性的定制配體，基于細(xì)胞的納米載體遞送以及具有免疫調(diào)節(jié)作用的生物分子的協(xié)作遞送的功能化是應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的策略。為了開發(fā)理想的骨修復(fù)納米材料，接下來的研究需要研究納米材料如何調(diào)節(jié)骨動(dòng)力學(xué)的潛在機(jī)制，并為骨再生創(chuàng)造有益的微環(huán)境。