二氧化鈦納米管在口腔種植領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

馬曉晴，黃綺雯 綜述 唐亮 審校

暨南大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，廣東 廣州 510632

鈦(titanium，Ti)具有良好的生物相容性和優(yōu)異的力學(xué)性能，是一種應(yīng)用廣泛的牙科植入材料。但鈦具有生物惰性，細(xì)菌容易黏附其表面并產(chǎn)生生物膜，增加種植術(shù)后并發(fā)癥和失敗率。另外，鈦不支持骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells，MSCs)和成骨細(xì)胞的成骨且會(huì)降低成骨速度，導(dǎo)致骨結(jié)合不良[1]。近年來(lái)對(duì)鈦種植體表面的改性已成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。目前對(duì)純鈦進(jìn)行表面改性主要有物理處理、化學(xué)涂層、生物涂層和二氧化鈦納米管(titanium dioxide nanotubes，TNTs)修飾等方法。

采用陽(yáng)極氧化技術(shù)制備的TNTs具有低細(xì)胞毒性、良好的生物相容性、高功能表面、光催化活性、良好的抗崩解性以及可調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。TNTs修飾的鈦種植體能增強(qiáng)成骨細(xì)胞功能，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期骨整合[3]，此外，TNTs是一種新型的可控藥物釋放系統(tǒng)，具有廣譜抗菌活性，因此TNTs在口腔種植領(lǐng)域具有廣闊的潛在應(yīng)用前景。本文將從頜骨骨免疫微環(huán)境、種植體周圍炎、藥物遞送等方面闡述TNTs在口腔種植領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展。

1 頜骨免疫微環(huán)境

種植體植入后，免疫系統(tǒng)被激活以調(diào)節(jié)宿主體內(nèi)的局部微環(huán)境，具有良好骨免疫調(diào)節(jié)性能的骨再生生物材料可以通過(guò)調(diào)節(jié)成骨和破骨行為促進(jìn)骨免疫平衡。此外，合適的免疫微環(huán)境能夠促進(jìn)骨再生[4]。BAI等[5]報(bào)道直徑為15 nm的TNTs能顯著激活血小板，在下調(diào)炎癥相關(guān)基因的同時(shí)上調(diào)生長(zhǎng)代謝相關(guān)基因，促進(jìn)骨細(xì)胞樹突的伸展，為骨再生和骨整合提供良好的骨免疫調(diào)節(jié)環(huán)境。BELTRáN-PARTIDA等[6]認(rèn)為TNTs可以促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞的活性，支持更快的臨床骨整合過(guò)程。TNTs能負(fù)載多種免疫調(diào)節(jié)細(xì)胞因子，調(diào)控免疫反應(yīng)，從而創(chuàng)造良好的骨免疫微環(huán)境。

巨噬細(xì)胞是免疫反應(yīng)的先天調(diào)節(jié)因子，通過(guò)將其極化為促炎癥的M1型巨噬細(xì)胞或促愈合的M2型巨噬細(xì)胞，能產(chǎn)生過(guò)量的細(xì)胞因子[5]。種植體植入后，促炎的M1巨噬細(xì)胞被干擾素-γ(IFN-γ)等細(xì)胞因子激活，隨后抗炎的M2巨噬細(xì)胞被白細(xì)胞介素-4(IL-4)等細(xì)胞因子激活，可促進(jìn)植入物的愈合和長(zhǎng)期穩(wěn)定。GAO等[7]將免疫調(diào)節(jié)細(xì)胞因子IL-4負(fù)載到TNTs中，并在TNTs上進(jìn)行水凝膠涂層，最后將IFN-γ添加到凝膠層，實(shí)現(xiàn)快速釋放，該涂層可以在預(yù)期的時(shí)間內(nèi)刺激巨噬細(xì)胞從M1表型向M2表型的極化，促進(jìn)M1向M2巨噬細(xì)胞平滑轉(zhuǎn)換，有助于種植體的穩(wěn)定。HE等[8]將鄰苯二酚基序修飾的甲基丙烯酸酯明膠水凝膠附著在TNTs上，然后將過(guò)氧化鈣納米粒子及IL-4負(fù)載到水凝膠中制備雙重載藥系統(tǒng)，結(jié)果表明釋放過(guò)氧化氫的過(guò)氧化鈣納米粒子能快速清除金黃色葡萄球菌，且過(guò)氧化鈣納米粒子被包埋在水凝膠中后潛在的細(xì)胞毒性明顯降低，此外該系統(tǒng)能誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞的M2表型極化。LI等[9]用聚多巴胺(polydopamine，PDA)將IL-4固定在TNTs上，隨后在TNTs上制備羧甲基殼聚糖水凝膠涂層并結(jié)合核心肽序列，發(fā)現(xiàn)該涂層不僅可以驅(qū)動(dòng)巨噬細(xì)胞向抗炎的M2表型轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生修復(fù)性細(xì)胞因子IL-10，還能增強(qiáng)激活與MSCs分化相關(guān)的信號(hào)通路BMP/SMAD/RUNX2。YIN等[10]在TNTs上制備海藻酸鹽/殼聚糖(chitosan，CH)多層膜，指出該涂層能誘導(dǎo)M1巨噬細(xì)胞激活BMP6/SMADs和Wnt10b/β-catenin通路，且誘導(dǎo)M2巨噬細(xì)胞激活TGF-β/SMADs通路以促進(jìn)MSC的早期和中期成骨。YANG等[11]利用貽貝激發(fā)的PDA將銀離子固定在TNTs上，認(rèn)為PDA能控制Ag+的過(guò)量釋放，降低銀納米顆粒的細(xì)胞毒性，并通過(guò)細(xì)胞反應(yīng)性釋放Ag+調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞從M1表型極化為M2表型的時(shí)間。CHEN等[12]采用電化學(xué)陽(yáng)極氧化法制備載銀納米TNTs，指出控制釋放超低劑量Ag+的載銀TNTs通過(guò)抑制PI3K/Akt通路可減少下游效應(yīng)分子GLUT1的釋放，從而激活自噬效應(yīng)以控制炎癥。

種植體植入后，術(shù)后損傷的組織與其相互作用會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)，ROS通過(guò)氧化DNA、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)破壞細(xì)胞并作為信號(hào)分子參與細(xì)胞生理調(diào)控，氧化還原的失衡會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞功能紊亂，破壞細(xì)胞穩(wěn)態(tài)[13]。此外，大量的ROS會(huì)引起巨噬細(xì)胞的聚集和炎癥，長(zhǎng)期的炎癥會(huì)導(dǎo)致種植體無(wú)菌性松動(dòng)[14]。YANG等[15]將白藜蘆醇負(fù)載到TNTs上，指出該涂層能有效消除ROS，抑制NF-κB信號(hào)通路的活化，從而抑制炎癥反應(yīng)，維持骨穩(wěn)態(tài)并促進(jìn)MSCs的成骨分化。GAO等[16]在鈦合金表面制備PDA和載銀納米TNTs涂層，發(fā)現(xiàn)該涂層能夠清除ROS，增強(qiáng)細(xì)胞黏附和刺激細(xì)胞分化。YANG等[17]指出高糖狀態(tài)下細(xì)胞產(chǎn)生過(guò)量的ROS會(huì)抑制細(xì)胞黏附和增殖，降低線粒體膜電位，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。與純鈦噴砂表面相比，TNTs表面在糖尿病條件下產(chǎn)生的ROS較少，在體內(nèi)外表現(xiàn)出良好的生物相容性和成骨能力。此外，TNTs表面通過(guò)產(chǎn)生更多超氧化物歧化酶以平衡ROS的表達(dá)，避免ROS的過(guò)量產(chǎn)生，最終緩解高糖狀態(tài)下ROS對(duì)成骨的抑制。HUANG等[18]指出TNTs的抗氧化性由上調(diào)的叉頭盒轉(zhuǎn)錄因子FoxO1驅(qū)動(dòng)，F(xiàn)oxO1在MSCs中通過(guò)shRNA廢除，因此TNTs能減輕巨噬細(xì)胞的氧化應(yīng)激反應(yīng)，增加抗炎細(xì)胞因子IL-10的分泌誘導(dǎo)M2表型的分化，進(jìn)一步提高骨免疫力。

2 種植體周圍炎

種植體周圍炎是一種發(fā)生在種植體周圍軟硬組織的炎癥性疾病，臨床表現(xiàn)為不同程度的骨組織喪失，伴有種植體周圍袋的形成、探診出血及溢膿[19]。引起種植體周圍炎的因素有：菌斑微生物、牙周炎、咬合過(guò)載、種植三維位置欠佳、角化齦不足、種植義齒設(shè)計(jì)不合理和修復(fù)部件松動(dòng)等[20-21]。持續(xù)的感染最終會(huì)導(dǎo)致骨結(jié)合喪失和種植失敗[22]。目前種植體周圍炎的治療方法分為非手術(shù)治療和手術(shù)治療，非手術(shù)治療主要包括機(jī)械清創(chuàng)術(shù)、藥物治療、激光治療和抗菌動(dòng)力治療等[23-24]。TNTs修飾的鈦種植體，主要通過(guò)改性、負(fù)載生物活性分子或抗菌劑以促進(jìn)種植體周軟組織封閉、實(shí)現(xiàn)抗菌活性等多種功能，預(yù)防和控制種植體周感染。

2.1 促進(jìn)種植體周軟組織封閉 種植體穿齦部分強(qiáng)有力的軟組織整合對(duì)種植體的長(zhǎng)期成功至關(guān)重要，種植體冠部封閉由牙槽骨上的結(jié)締組織和交界處上皮組成，結(jié)締組織是種植體冠部封閉的重要部分，可限制連接上皮的根尖遷移，保障有效的骨結(jié)合[25]。然而，由于口腔細(xì)菌生物膜的不良反應(yīng)，種植體的成功率可能會(huì)因?yàn)榭琊つぼ浗M織完整性的損害而受到影響[26]。人牙齦成纖維細(xì)胞(human gingival fibroblasts，HGFs)作為種植體周圍軟組織的主要細(xì)胞，分泌含有豐富膠原纖維的細(xì)胞外基質(zhì)，能促進(jìn)牙齦創(chuàng)面的愈合、修復(fù)和再生[27]。XU等[28]在鈦表面制備直徑分別為30 nm、100 nm和200 nm的TNTs，發(fā)現(xiàn)直徑為30 nm和100 nm的TNTs均能增強(qiáng)HGFs的黏附、增殖和細(xì)胞外基質(zhì)相關(guān)基因的表達(dá)，其中直徑100 nm的TNTs可以最大限度地激活HGFs功能，并降低牙齦假單胞菌在穿齦部的黏附，促進(jìn)軟組織附著，抑制細(xì)菌生物膜的黏附，保護(hù)牙槽骨。WANG等[29]采用陽(yáng)極氧化和熱氫化技術(shù)制備超親水性TNTs，表明修飾后的表面可以大幅上調(diào)黏著斑激酶和磷酸化黏著斑蛋白激酶的表達(dá)，HGFs在氫化TNTs的黏附、遷移相對(duì)基因表達(dá)水平和細(xì)胞外基質(zhì)合成均增強(qiáng)，而且其誘導(dǎo)了黏著斑激酶活化和整合素介導(dǎo)的黏附，提示陽(yáng)極氧化和氫化修飾的超親水納米結(jié)構(gòu)可以提高HGFs的生物活性并能促進(jìn)結(jié)締組織再生。

天然牙里牙齦纖維垂直插入牙骨質(zhì)中，以獲得良好的附著，而種植體周圍的結(jié)締組織纖維與牙根表面平行或成圓周排列，此結(jié)構(gòu)不利于種植體周圍的軟組織封閉及力的傳導(dǎo)。TNTs可以通過(guò)促進(jìn)垂直纖維的插入以增強(qiáng)種植體周圍的軟組織附著，使種植體周上皮保持在修復(fù)體和種植體之間的垂直水平[30]。HOU等[21]用聚合物滲透的無(wú)定型TNTs制作類牙周膜韌帶樣種植體周圍韌帶，結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)能增加18%以上的骨結(jié)合，并將種植體傳導(dǎo)至周圍骨組織的有效應(yīng)力降低30%，防止超負(fù)荷引起的骨吸收。CHEN等[31]應(yīng)用電泳融合(electrophoretic fusion，EPF)方法將Ⅰ型膠原(Col-Ⅰ)垂直融合成納米管陣列(TNTs-ColEPF)，指出具有垂直Col-Ⅰ表面的TNTs在刺激血小板介導(dǎo)的成纖維細(xì)胞募集的同時(shí)錨定成纖維細(xì)胞來(lái)源的Col-Ⅰ形成垂直的膠原集合體，此外該涂層表面對(duì)促炎性腫瘤壞死因子-α的釋放有輕微的促進(jìn)作用，但對(duì)組織再生因子如PDGF-AB、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的刺激作用顯著，說(shuō)明TNTs-ColEPF表面通過(guò)建立牢固的軟組織密封，能夠減少種植體的并發(fā)癥。當(dāng)TNTs-ColEPF延伸到種植體上時(shí)，可以獲得堅(jiān)固而靈活的種植體牙周韌帶狀懸浮物，通過(guò)EPF附著在鈦表面的膠原蛋白可用于預(yù)防和作為跨黏膜種植體的抗炎治療。TNTs-ColEPF表面能抑制上皮細(xì)胞的初始黏附，其與膠原纖維的垂直黏附可防止上皮細(xì)胞向下生長(zhǎng)[32]。

2.2 抗菌性 IM等[33]用電噴霧沉積法在TNTs上沉積聚乳酸-乙醇酸共聚物，并在其上負(fù)載四環(huán)素納米顆粒以應(yīng)對(duì)種植體感染等問(wèn)題，結(jié)果表明四環(huán)素納米顆粒包裹的TNTs具有抗金黃色葡萄球菌活性和前成骨細(xì)胞MC3T3-E1的生物相容性，TNTs的成骨活性被保留。與傳統(tǒng)抗生素相比，抗菌肽的殺菌機(jī)制更快且細(xì)菌極難產(chǎn)生抗藥性[34]。KAZEMZADEH-NARBAT等[35]在TNTs、磷酸鈣涂層和磷脂層的垂直三層結(jié)構(gòu)上浸漬一種高效的抗菌肽，發(fā)現(xiàn)該涂層對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌均有良好的抗菌活性且對(duì)成骨細(xì)胞MG63無(wú)細(xì)胞毒性。FENG等[36]將穿心蓮脂負(fù)載到TNTs中，結(jié)果顯示穿心蓮內(nèi)酯負(fù)載的TNTs能顯著地對(duì)抗葡萄球菌形成的外層生物膜以控制感染。

3 藥物遞送

種植術(shù)后感染常常會(huì)導(dǎo)致種植失敗，傳統(tǒng)的給藥方式存在許多缺點(diǎn)和局限性，如生物分布性差、治療效率低、副作用大、藥物溶解性差以及容易造成細(xì)菌耐藥性等，采用局部給藥方式能夠提高局部用藥部分的藥物濃度，有效地控制感染的發(fā)生[37]。TNTs作為新型載藥系統(tǒng)，其尺寸、幾何構(gòu)型及藥物釋放方式可以通過(guò)不同方法調(diào)控，且TNTs具有高比表面積和高載藥量等優(yōu)點(diǎn)，在藥物釋放方面具有廣闊的應(yīng)用前景[38]。目前主要使用物理吸附、電泳沉積和磁控濺射等多種技術(shù)將具有抗菌和成骨作用的元素或分子負(fù)載到TNTs中以促進(jìn)骨整合及控制感染，但TNTs的突釋行為會(huì)導(dǎo)致局部藥物濃度過(guò)高而引起細(xì)胞毒性，不利于周圍組織健康，可通過(guò)改變納米管的尺寸、表面修飾、聚合物包封及刺激響應(yīng)等方法延緩藥物的釋放[39]。目前關(guān)于納米管尺寸及表面修飾方法以控制藥物釋放的研究已有大量報(bào)道[40-42]，本文主要從聚合物包封和刺激響應(yīng)兩方面進(jìn)行闡述。

3.1 聚合物包封 RAHNAMAEE等[43]在TNTs上負(fù)載萬(wàn)古霉素并將還原石墨烯(reduced graphene oxide，RGO)和CH組裝在TNTs上形成多功能涂層，研究純鈦組、TNTs組、TNTs/CH組、TNTs/RGO組及TNTs-RGO/CH組的藥物釋放行為，結(jié)果表明RGO對(duì)萬(wàn)古霉素的釋放有輕微的抑制作用，培養(yǎng)20 d后TNTs組藥物完全釋放，而TNTs/CH組和TNTs-RGO/CH組的累積釋放率分別為87%和88%，TNTs/CH組和TNTs-RGO/CH組的藥物持續(xù)釋放至31 d。HASHEMI等[44]在TNTs上負(fù)載糖尿病藥物二甲雙胍，并在TNTs上旋涂CH以形成具有可持續(xù)藥物凝膠特性的表面，結(jié)果顯示與對(duì)照組相比，CH包覆的TNTs藥物釋放時(shí)間由3 d延長(zhǎng)至20 d，突釋行為由85%降低至7%，實(shí)現(xiàn)藥物可持續(xù)釋放。

3.2 載藥刺激性反應(yīng)釋放策略

3.2.1 pH響應(yīng)性釋放策略 細(xì)菌感染后的局部微環(huán)境為弱酸性(pH≤6.0)，低于正常組織(pH=7.4)，因此可利用細(xì)菌感染部位和正常組織之間的pH差作為觸發(fā)信號(hào)開(kāi)放藥物輸送平臺(tái)[45]。YIN等[10]將TNTs制備成“潘多拉盒子”，然后將抗菌肽HHC36置入盒內(nèi)并用pH響應(yīng)的分子門聚甲基丙烯酸封閉，該分子門在生理?xiàng)l件下膨脹關(guān)閉延緩抗菌肽的釋放，但在細(xì)菌感染時(shí)(pH≤6.0)時(shí)分子門坍塌打開(kāi)以釋放抗菌肽殺菌，與對(duì)照組相比，實(shí)驗(yàn)組50%和90%釋放時(shí)間分別增加了近20倍和7倍，即72 h和168 h。TAO等[46]將骨形態(tài)發(fā)生蛋白2負(fù)載在TNTs上，用海藻酸雙醛慶大霉素和CH組成pH響應(yīng)的多層膜模擬生理環(huán)境(pH=7.4)和感染微環(huán)境(pH=5.8)進(jìn)行藥物釋放行為研究，結(jié)果表明當(dāng)pH=7.4時(shí)，僅有17.0μg慶大霉素從多層膜中釋放，而在pH=5.8的條件下，釋放的慶大霉素達(dá)38.1μg。關(guān)于藥物長(zhǎng)期分布方面，在pH=7.4和pH=5.8中培養(yǎng)10 d后，該多層膜中分別釋放出約44.0和130.3μg慶大霉素，以上結(jié)果均表明，該多層具有較好的pH響應(yīng)性。

3.2.2 酶響應(yīng)性釋放策略 透明質(zhì)酸具有高度親水性，有助于蛋白排斥及抗微生物定植。臨床病原菌尤其是金黃色葡萄球菌在感染階段會(huì)分泌高濃度的特異性酶，如透明質(zhì)酸酶(hyluronidase，HAase)和糜蛋白酶[47]。YU等[48]在負(fù)載去鐵胺的TNTs上構(gòu)建透明質(zhì)酸-慶大霉素偶聯(lián)物(hyaluronic acid-gentamicin conjugates，HA-Gen)及CH聚電解質(zhì)多層膜，指出HA-Gen對(duì)細(xì)菌具有抗黏附能力，可通過(guò)細(xì)菌定制期間分泌的HAase降解，釋放出慶大霉素片段殺滅細(xì)菌，且該涂層在無(wú)HAase的情況下，去鐵胺釋藥曲線穩(wěn)定適中，而在外源性HAase的作用下，底物在最初12 h內(nèi)出現(xiàn)突發(fā)性釋放，24 h內(nèi)幾乎完全釋放，說(shuō)明該涂層可以實(shí)現(xiàn)去鐵胺的突發(fā)釋放和按需投放。YUAN等[49]以含有萬(wàn)古霉素的TNTs為載體，在鈦基底上制備由多巴胺修飾的HA和3,4-二羥基肉桂酸修飾的CH組成的鄰苯二酚功能化多層膜，于三種濃度下(0.01 mg/mL、0.05 mg/mL和0.5 mg/mL)觀察該涂層的藥物釋放行為，結(jié)果表明在沒(méi)有HAase的情況下，對(duì)照組釋放量達(dá)75%，而實(shí)驗(yàn)組釋放量不到10%，此外實(shí)驗(yàn)組的萬(wàn)古霉素釋放度在12 h后減慢，在72 h后釋放峰值約達(dá)90%，說(shuō)明該涂層具有快速酶響應(yīng)性，避免了正常組織中不必要的毒副作用。

4 總結(jié)

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)TNTs在口腔種植領(lǐng)域應(yīng)用方面已經(jīng)做了大量的研究，通過(guò)改性方法對(duì)TNTs的復(fù)合處理越來(lái)越受到重視。TNTs具有良好的生物相容和局部藥物釋放能力，可以改善骨免疫條件、促進(jìn)成骨和改善軟組織封閉，適當(dāng)功能化的TNTs能夠解決骨結(jié)合不良、炎癥和感染等問(wèn)題。生物活性涂層TNTs常與其他生物活性元素或殺菌劑結(jié)合在一起，以實(shí)現(xiàn)骨整合和抗菌活性等多種功能。但是，TNTs作為抗菌劑載體，仍存在藥物難以控制突釋行為及細(xì)菌耐藥性等問(wèn)題，需要進(jìn)一步尋找抗菌活性和再生能力之間平衡的方法。