生物材料在牙槽突裂治療中的應(yīng)用

甘欣怡，馬 堅(jiān)，于麗麗，黃永清

牙槽突裂是顱面區(qū)的先天性畸形，臨床上常常與唇裂、腭裂同時(shí)發(fā)生，而在不同人群、地域及環(huán)境等情況下，牙槽突裂的發(fā)病率有明顯差異[1]，它常常會造成不完整連續(xù)的牙弓、牙缺失、牙異位萌出、阻萌等問題[2]。這不僅對牙槽突裂的患者的生活質(zhì)量和心理造成負(fù)面影響[3]，還會影響患者的咀嚼功能，妨礙正畸和正頜治療。目前治療牙槽突裂的方法是采用早期手術(shù)和面部重建，但此方法常常被認(rèn)為是具有爭議性的[4]。牙槽突裂區(qū)的重建最常用的方法是在混合牙列期進(jìn)行二期植骨術(shù)，骨源常來自自體髂骨。自體髂骨植骨存在以下不足：自體骨植骨術(shù)后吸收明顯，3個(gè)月時(shí)平均吸收率為35.74%，最嚴(yán)重的有近一半吸收，6個(gè)月后，平均吸收率為55.89%。現(xiàn)在，組織工程為牙槽突裂的治療提供了一種替代方案，即將具有促進(jìn)細(xì)胞和組織再生作用的人工定制支持物用于修復(fù)牙槽突裂區(qū)。牙槽突裂的再生方案是利用具有功能性的生物材料，生物活性再生分子和可調(diào)節(jié)Int的募集干細(xì)胞來促進(jìn)缺損組織的自我修復(fù)。此修復(fù)方案的關(guān)鍵是重建高度血管化骨骼的功能[5]。目前組織工程對牙槽突裂的治療主要是以下幾種。

1 3D生物材料

3D生物材料需要為牙槽突裂所導(dǎo)致的缺損部位的細(xì)胞和組織的生長提供空間和框架[6]，主要起到遞送作用。它不僅需要具有支撐條件的結(jié)構(gòu)特征，如多孔結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能等，還需要具有一定的生物學(xué)性能，如生物活性、生物相容性、生物降解性等[7]。骨生成、骨傳導(dǎo)和骨誘導(dǎo)能力是支架作為骨移植材料所需具備的3種基本功能[8]，而有研究表明它會受到孔徑、形狀及互連的大小的影響[9]。3D生物材料所使用的材料種類很廣泛，如生物陶瓷、聚合物、金屬材料、復(fù)合材料，這些材料通過不同的制作方式制成的仿生3D支架已經(jīng)用于治療牙槽突裂。

1.1 生物陶瓷：生物陶瓷可制作成能夠模擬天然組織的3D支架[10]。其可分為生物活性陶瓷和生物惰性陶瓷[11]，主要用于修復(fù)和再生缺損的肌肉骨骼和牙周異常的部位。Hongshi Ma等人[12]根據(jù)植入后與組織結(jié)合的能力，將生物陶瓷分為3類。其中羥基磷灰石(HA)和β-磷酸(β-TCP)是最常見的人工合成磷酸鈣材料。HA在天然骨組織中含量達(dá)60%，具有成骨誘導(dǎo)作用。β-TCP作為另一種常見的磷酸鈣材料，具有良好的生物相容性，植入機(jī)體后可直接與骨結(jié)合，在rh-BMP2后可異位成骨[13]。目前，臨床上已經(jīng)將生物陶瓷材料應(yīng)用于治療頜面骨缺損了，3D支架空間內(nèi)部逐漸被新生骨組織替代，新生骨和骨小梁結(jié)構(gòu)樣組織填充在缺損區(qū)域內(nèi)[14]，但如何再生出具有生理性、生物學(xué)特性的骨組織結(jié)構(gòu)仍是需要解決的問題，并且需要較大的樣本量來評價(jià)生物陶瓷材料對牙槽突裂修復(fù)的療效[15]。

1.2 聚合物：近年來，聚合物作為功能高分子材料之一，其年增長率一般都在10%以上，其中用于修復(fù)細(xì)胞和組織的生物醫(yī)用高分子材料的增長率達(dá)到了50%。由于它具有良好的機(jī)械性能以及醫(yī)療安全性，所以可應(yīng)用于整形外科、傷口護(hù)理等[16]，其中幾種高分子材料已經(jīng)用于修復(fù)口腔黏膜和頜面部骨，如牙槽突裂[17]，包括聚ε-己內(nèi)酯(PCL)、聚乳酸(PLA)、聚癸二酸甘油酯(PGS)等[18]。這些聚合物可以在受控條件下大量合成，從而確保均勻和可重復(fù)的性質(zhì)，同時(shí)還能生產(chǎn)出特定的結(jié)構(gòu)，并且通過改變聚合物本身或結(jié)合不同聚合物來控制支架的降解性。還能降低感染和自我免疫原性的風(fēng)險(xiǎn)[19]。MARTiN M等人[20]制作了由多壁碳納米管和聚己內(nèi)酯制成的膜復(fù)合材料，證明了它們對人牙髓干細(xì)胞黏附和增殖的能力，并促進(jìn)它們向允許骨再生的骨樣表型的成骨分化，因此可以用于牙槽突裂的再生。但是聚合物作為一種材料，長期移植后的鈣化問題，以及與血管吻合度等問題仍然未得到解決，各種材料在體內(nèi)的長期療效也有待觀察[15]。

2 干細(xì)胞

成體干細(xì)胞在特異性誘導(dǎo)因子存在的條件下,可以多方向分化,它可以分化成機(jī)體的各種組織,并發(fā)揮不同生物學(xué)功能[21]。

2.1 脂肪干細(xì)胞：脂肪干細(xì)胞(ADSCs)已經(jīng)證明了具有分化為骨和軟骨的能力。有研究報(bào)道提取自體ADSCs,它可以在沒有任何支架的情況下完全分化為3D成骨樣植入物。對兔模型的研究表明將ADSCs植入特定的尺寸脛骨缺損可明顯提高礦物質(zhì)含量和骨再生[22]。對狗模型的研究表明，在供體部位自體移植物可用性或發(fā)病率有限的情況下，潛在的植入(HA/TCP)雙相骨替代物的ADSCs中的6個(gè)，能夠重建頜面部骨的缺損，因此證明它們是可以修復(fù)牙槽突裂的自體骨的替代物之一。ADSCs還具有在受損部位促進(jìn)周圍神經(jīng)的再生的能力[23]。有研究表明，ADSCs在注射入機(jī)體后可以存活在神經(jīng)系統(tǒng)中,同時(shí)可以分泌許多促神經(jīng)愈合的因子[24]。雖然已有實(shí)驗(yàn)證明脂肪干細(xì)胞在動(dòng)物體內(nèi)具有頜面骨再生的能力，但在人體內(nèi)的實(shí)驗(yàn)報(bào)道還較少。鑒于人倫安全等問題，臨床還未得到廣泛應(yīng)用，所以ADSCs在人體內(nèi)的療效及安全性還有待考量[25]。

2.2 骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞：骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞是一種多能干細(xì)胞，具備向成骨細(xì)胞、肌肉細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、成纖維細(xì)胞等多種細(xì)胞分化的能力[26]，已有實(shí)驗(yàn)及臨床研究證實(shí)BMSCs結(jié)合支架材料具有治療牙槽突裂的可行性[27]。但BMSC的活性隨著人年齡的增加而降低，并且BMSC的生物活性支架如何在人體內(nèi)建立有效的血液循環(huán)仍需要進(jìn)一步的研究[28]。

3 再生因子

3.1 纖維蛋白膠：纖維蛋白膠(FG)作為一種骨誘導(dǎo)分子，是由凝血酶對纖維蛋白原作用后形成的天然生物聚合物[29]，它可以應(yīng)用于修復(fù)頜面部缺損的整形外科與頜面外科。富含血小板的纖維蛋白(PRF)是一種含有TGF-β1等大量生長因子的纖維蛋白，具有刺激多種類型細(xì)胞的增殖和分化的作用[30]。FG作為PRF生長因子的來源，也能夠促進(jìn)頜面部軟組織與硬組織的愈合。有研究表明，PRF根據(jù)不同的濃度梯度對牙髓干細(xì)胞的增殖活性也有不同的增強(qiáng)作用[31]。同時(shí)，PRF生長因子還具有長期的生物效應(yīng)。PRF的纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)允許血管生成及形成、神經(jīng)發(fā)生，以及在再生部位移植物存活所必需的內(nèi)皮細(xì)胞的遷移[32]。不過，凝血酶與纖維蛋白原最佳適配濃度，仍需進(jìn)一步研究。

3.2 骨形態(tài)發(fā)生蛋白2(BMP-2)：BMP-2是成骨調(diào)節(jié)因子，具有最強(qiáng)的成骨誘導(dǎo)能力，是骨組織工程中應(yīng)用最廣泛的生長因子之一。目前在臨床上已開展了BMP-2用于口腔頜面部骨再生的研究，并取得了一些理想的治療效果，但也有部分臨床研究發(fā)現(xiàn)BMP-2的骨再生效果并不理想。將來還需要更多的臨床研究證據(jù)，進(jìn)一步綜合評估BMP-2的臨床療效。

4 復(fù)合材料

單獨(dú)使用上述材料存在諸多缺點(diǎn)，無法滿足臨床要求，因此，我們可以通過結(jié)合各類材料的優(yōu)點(diǎn)制備一種復(fù)合材料，來突破單一材料的不足。

4.1 殼聚糖復(fù)合二甲雙胍材料：殼聚糖是從蟹殼類動(dòng)物外殼提取的天然生物活性成分，主要作為一種固化劑在組織工程中應(yīng)用，在增加支架機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)于生物體內(nèi)能有效降解，且不存在免疫原性[33]。二甲雙胍可刺激機(jī)體干細(xì)胞進(jìn)行成骨分化，因其具有熱穩(wěn)定作用，所以在支架材料內(nèi)能夠緩慢釋放，進(jìn)而維持整個(gè)成骨過程。有研究證實(shí)殼聚糖復(fù)合二甲雙胍材料對于骨組織再生的促進(jìn)、骨組織代謝作用，且修復(fù)區(qū)域的新生骨與支架材料能夠完全融合[34]。此復(fù)合生物支架材料在骨缺損修復(fù)中表現(xiàn)出良好的修復(fù)再生作用及組織相容性，但在臨床研究中仍存在許多局限性，需要進(jìn)一步研究分析，來評估殼聚糖復(fù)合二甲雙胍材料的臨床療效[35]。

4.2 聚乳酸/骨粉/丁-乙二酸丁二醇酯復(fù)合材料：聚乳酸(PLA)是廣泛研究和利用的可生物降解和可再生的脂肪族聚酯，它可以隨著時(shí)間將應(yīng)力轉(zhuǎn)移到受損區(qū)域，從而允許組織愈合。丁-乙二酸丁二醇酯(PBSA)具有良好的生物力學(xué)性能和生物可降解性[36]。利用3D打印技術(shù)將PLA、PBSA和豬骨粉(BM)材料混合，采用3D打印制備出替代骨。研究表明3D打印的PLA/PBSA/BM復(fù)合支架具有良好的生物學(xué)性能和生物相容性，能有效修復(fù)骨缺損，為骨細(xì)胞生長提供了良好的微環(huán)境，促進(jìn)骨細(xì)胞的生長[37]。這種復(fù)合支架在骨組織工程修復(fù)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景，但也缺乏廣泛的臨床應(yīng)用，目前仍無法正確評估此復(fù)合材料的臨床效應(yīng)。