靜電紡絲納米纖維在口腔種植的應(yīng)用研究進(jìn)展

張 琛,高 鶯,2

隨著種植技術(shù)和生物材料的不斷發(fā)展,種植義齒已成為牙列缺損或牙列缺失患者修復(fù)缺失牙的首選方式[1]。然而種植修復(fù)時(shí)常面臨諸多臨床問題,如牙周炎、外傷等因素導(dǎo)致牙槽骨吸收需進(jìn)行骨增量手術(shù),鈦種植體缺乏骨誘導(dǎo)性及抗菌能力,要經(jīng)歷較長(zhǎng)的骨結(jié)合時(shí)間,局部菌斑控制欠佳及糖尿病等系統(tǒng)性疾病的存在可能導(dǎo)致種植體周圍炎的發(fā)生,從而影響種植成功率[2]。近年來,納米纖維憑借其比表面積大、與細(xì)胞外基質(zhì)高度匹配、易于表面功能化等優(yōu)勢(shì)為上述問題的解決提供了新思路[3]。目前制備納米纖維的方法包括相分離法、自組裝法和靜電紡絲法等,其中靜電紡絲技術(shù)簡(jiǎn)稱為電紡技術(shù),因其操作簡(jiǎn)便、成本低、可連續(xù)制造納米纖維等優(yōu)點(diǎn)受到越來越多學(xué)者的青睞[3]。本文就電紡納米纖維常用的制備原料以及在口腔種植中的應(yīng)用作一綜述,以期為電紡納米纖維的基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用提供參考。

1 電紡納米纖維常用的制備原料

電紡納米纖維的性能很大程度上取決于所選擇的聚合物。聚合物根據(jù)其來源可分為天然聚合物與合成聚合物,在生物醫(yī)學(xué)方面的研究中常用的電紡聚合物為明膠、殼聚糖、絲素蛋白等天然聚合物,以及聚己內(nèi)酯(poly-ε-caprolactone,PCL)、聚乳酸、聚四氟乙烯等合成聚合物[3-4]。

天然聚合物具有良好的生物相容性和生物降解性,但因其電紡難度大、機(jī)械強(qiáng)度差、親水性好而表現(xiàn)出相對(duì)較快的降解速率,在臨床應(yīng)用中受到一定限制[2,5]。為了提高天然聚合物的強(qiáng)度并保持其纖維形態(tài),常使用交聯(lián)劑進(jìn)行處理[6]。Li等[7]報(bào)道使用京尼平作為交聯(lián)劑應(yīng)用于明膠納米纖維,以改善其遇水穩(wěn)定性差、降解快等缺點(diǎn),結(jié)果顯示,隨著京尼平的加入,明膠納米纖維溶脹率降低,耐水性和拉伸強(qiáng)度提高。

合成聚合物的主要優(yōu)點(diǎn)是可紡性好、機(jī)械性能與可調(diào)控性出色[6]。相較于天然聚合物,合成聚合物親水性弱、生物相容性差且缺乏細(xì)胞識(shí)別位點(diǎn)[8]。因此,合成聚合物通常與天然聚合物混紡以彌補(bǔ)單一材料的缺陷,從而形成具有良好機(jī)械性能、降解速率和生物活性的納米纖維[2]。此外,在混紡過程中還可通過改變聚合物單體的摩爾分?jǐn)?shù)或采用不同的混紡比例,更好地控制納米纖維降解速率使之與組織再生速度匹配,進(jìn)而為不同細(xì)胞或器官量身打造出組織工程支架[9]。Ghasemi-Mobarakeh等[10]利用電紡技術(shù)制備了質(zhì)量比為70∶30和50∶50的PCL/明膠納米纖維支架,結(jié)果顯示70∶30的支架更利于神經(jīng)干細(xì)胞增殖,較50∶50的支架表現(xiàn)出了更低的生物降解率和更好的機(jī)械性能。

2 靜電紡絲納米纖維在口腔種植中的應(yīng)用

2.1 引導(dǎo)骨組織再生

引導(dǎo)骨組織再生(guided bone regeneration,GBR)技術(shù)是目前種植術(shù)中應(yīng)對(duì)骨量不足問題的有效治療手段,其主要原理是在上皮組織和骨組織之間放一層屏障膜,以防止快速增殖的上皮細(xì)胞向缺損部位遷移,從而保證成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)[11]。選擇理想的屏障膜是確保GBR成功的關(guān)鍵因素之一,屏障膜應(yīng)具有良好的生物相容性、抗菌性能和成骨性能等,在承受周圍組織壓力時(shí)應(yīng)具有足夠的機(jī)械支撐力,生物液體中浸濕后還應(yīng)能保持原有的機(jī)械性能以抵抗手術(shù)縫線的剪切力[3,12]。

在電紡過程中可通過等離子體處理、表面接枝、濕化學(xué)法等對(duì)電紡納米纖維表面改性進(jìn)一步提高骨傳導(dǎo)性和骨誘導(dǎo)性[13]。此外,還可以在納米纖維表面負(fù)載生長(zhǎng)因子、藥物、無機(jī)粒子、酶等生物活性物質(zhì)以提升納米纖維的機(jī)械性能、生物相容性及抗菌活性等,為細(xì)胞生長(zhǎng)及鄰近組織整合提供更適宜的微環(huán)境,從而滿足GBR的多層次需求[3]。

電紡技術(shù)的應(yīng)用使得制備雙層或多層膜成為可能,這些屏障膜的兩面可具有不同特性以適應(yīng)手術(shù)部位中不同的組織區(qū)[3]。Lian等[14]利用電紡技術(shù)制成了具有抗菌和成骨性能的雙層納米纖維膜,致密層由載有多西環(huán)素的聚乳酸-羥基乙酸共聚物(poly(lactic-co-glycolic acid),PLGA)納米纖維構(gòu)成,多孔層由載有地塞米松的介孔二氧化硅納米顆粒和PLGA/明膠紡絲液混紡構(gòu)成,結(jié)果顯示上述雙層納米纖維膜能促進(jìn)大鼠骨髓干細(xì)胞的成骨分化并能抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng),有望成為GBR應(yīng)用的理想材料。

Yu等[15]通過電紡技術(shù)成功制備了三層納米纖維膜,主要由多孔層、致密層、中間層組成,多孔層由載有辛伐他汀的明膠/PCL納米纖維構(gòu)成,致密層由PCL納米纖維構(gòu)成,中間層由上述兩種纖維交織而成,中間層的加入使致密層和多孔層的連接更為緊密,將骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow-derived mesenchymal stem cells,BMMSCs)和成纖維細(xì)胞在膜的不同表面上培養(yǎng),結(jié)果顯示致密層可作為有效屏障防止成纖維細(xì)胞的入侵,BMMSCs在多孔層可有效黏附及增殖,動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明該屏障膜可顯著促進(jìn)兔顱骨缺損區(qū)新骨的形成。

口腔中的骨缺損形狀復(fù)雜多變,簡(jiǎn)單的二維納米纖維膜可能難以滿足骨再生的需要,如何構(gòu)建三維納米纖維支架對(duì)于骨組織再生具有重要意義。在傳統(tǒng)電紡中,紡絲開始后纖維在接收裝置上分層堆積,這些纖維形成的孔隙只存于單層平面上,隨著纖維的層層沉積孔隙尺寸逐漸減小,導(dǎo)致細(xì)胞只能黏附在表面生長(zhǎng)而無法進(jìn)入其內(nèi)部[16]。此外,小孔徑也限制了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和代謝廢物的轉(zhuǎn)移,從而阻礙了支架中的血管化和組織整合[17]。因此為了制備有足夠孔徑和孔隙率三維支架,許多學(xué)者提供了相應(yīng)的策略,主要包括使用特殊收集器、低溫靜電紡絲、氣體發(fā)泡等[13]。Hejazi等[18]通過改進(jìn)電紡技術(shù)利用金屬網(wǎng)作為收集器成功制備出三維支架,三維支架具有更高的孔隙率及孔徑,其總孔隙率高達(dá)98%且孔徑提升了1倍,將骨肉瘤細(xì)胞株MG-63接種其上,相較于二維支架MG-63增殖在早期時(shí)間點(diǎn)停止,接種在三維支架上的MG-63在21 d內(nèi)連續(xù)增殖且表現(xiàn)出了更高的堿性磷酸酶活性及更明顯的鈣沉積。

Dong等[19]結(jié)合電紡技術(shù)及3D打印技術(shù)開發(fā)出一種可制造復(fù)雜形狀骨支架的3D打印平臺(tái),能在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的幫助下構(gòu)建與缺損部位形狀相同的支架結(jié)構(gòu),主要是通過在3D打印聚乙二醇/PCL支架表面覆蓋電紡納米纖維層完成的,分析表明該支架具有良好的機(jī)械性能,且電紡納米纖維層的加入增加了支架的表面積可促進(jìn)成骨細(xì)胞的黏附及增殖。

2.2 種植體表面改性

鈦?zhàn)鳛橐环N惰性材料,因缺乏骨誘導(dǎo)能力無法快速促進(jìn)成骨細(xì)胞在其表面增殖、礦化,從而使得種植體植入體內(nèi)后骨結(jié)合時(shí)間較長(zhǎng)[20];鈦種植體本身無抗菌活性,植入后釋放鈦離子/顆?？烧T發(fā)機(jī)體的炎癥反應(yīng)導(dǎo)致無菌性松動(dòng)的發(fā)生[21];種植修復(fù)后菌斑控制欠佳可能導(dǎo)致細(xì)菌侵襲引起種植體周圍黏膜炎、種植體周圍炎,造成種植失敗風(fēng)險(xiǎn)提升[22]。因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始在鈦種植體上采用不同改性方法,賦予其骨誘導(dǎo)性及抗菌能力,促進(jìn)種植體周圍新骨形成并防止細(xì)菌侵入,對(duì)提高種植體留存率及患者滿意度均具有重要臨床意義。

在眾多的改性方法中,電紡納米纖維涂層因其有利于細(xì)胞黏附、增殖,同時(shí)能搭載酶、生長(zhǎng)因子、藥物等生物活性物質(zhì),成為種植體表面改性的熱門技術(shù)之一[2]。傳統(tǒng)的靜電紡絲法在負(fù)載生物活性物質(zhì)方面略顯不足,其一是缺乏適當(dāng)?shù)木忈屜到y(tǒng),其二是暴露在有機(jī)溶劑中的生物活性物質(zhì)在電紡過程中容易變性[23]。同軸靜電紡絲技術(shù)可制備出具有芯-殼結(jié)構(gòu)的納米纖維,這一結(jié)構(gòu)可使芯層負(fù)載的物質(zhì)達(dá)到緩釋效果,同時(shí)對(duì)其有保護(hù)作用[24]。胡姝穎等[25]利用同軸靜電紡絲技術(shù)制備出載有骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2的PLGA/PCL電紡纖維膜,結(jié)果顯示該生長(zhǎng)因子可持續(xù)釋放長(zhǎng)達(dá)28 d且能保持部分活性,體外實(shí)驗(yàn)表明其能促進(jìn)小鼠前成骨細(xì)胞的早期成骨分化。

在增強(qiáng)種植體抗菌能力中,Song等[26]應(yīng)用同軸靜電紡絲技術(shù)將載有多西環(huán)素的PCL/聚乙烯醇納米纖維直接沉積在鈦表面,劃痕測(cè)試表明該涂層與鈦表面結(jié)合強(qiáng)度良好,將涂覆上述涂層的種植體植入到感染金黃色葡萄球菌的大鼠脛骨內(nèi),結(jié)果發(fā)現(xiàn)其可有效抑制細(xì)菌生長(zhǎng)以促進(jìn)種植體骨結(jié)合的發(fā)生,并能維持長(zhǎng)達(dá)8周的抗菌效果。Kiran等[27]將納米二氧化鈦加入PCL制成的電紡溶液,然后在鈦板表面電紡得到納米纖維涂層,模擬體液浸泡實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該涂層可促進(jìn)羥基磷灰石的沉積,其中二氧化鈦的光催化作用可明顯抑制金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng)。

Wei等[28]利用電紡技術(shù)在聚多巴胺(polydopamine,PDA)改性的鈦板上制備載有阿司匹林的PLGA納米纖維涂層,其中PDA改性確保納米纖維涂層對(duì)鈦板的黏附,體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其對(duì)BMMSCs的增殖和成骨分化有促進(jìn)作用并可抑制炎癥因子的釋放,動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示該涂層能有效抑制鈦顆粒在種植體周圍引起的骨溶解,有望從抗炎和改善骨整合的雙重方向上有效解決無菌性松動(dòng)問題。

針對(duì)種植體骨誘導(dǎo)能力差的情況,Das等[29]在鈦種植體表面制備一層由PCL、明膠、羥基磷灰石、地塞米松、抗壞血酸和β-甘油磷酸電紡制成的納米纖維涂層,動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明與種植體接觸的新生骨組織骨密度與骨礦物質(zhì)含量分別比對(duì)照組高23.22%和13.39%,組織學(xué)結(jié)果顯示該涂層可誘導(dǎo)骨組織提前成熟和血管化。Keceli等[30]利用陽極氧化技術(shù)在鈦表面負(fù)載骨形態(tài)發(fā)生蛋白-6,然后通過電紡技術(shù)在鈦表面制備載有血小板衍生生長(zhǎng)因子的絲素蛋白涂層,結(jié)果顯示接種其上的成骨細(xì)胞增殖和礦化能力增強(qiáng),有利于種植的早期骨結(jié)合。

2.3 傷口敷料及縫線

種植術(shù)后傷口愈合情況是影響種植手術(shù)成功率的重要因素之一,若傷口愈合不良可能導(dǎo)致感染發(fā)生,從而進(jìn)一步影響種植體骨結(jié)合[31]。電紡納米纖維可制成傷口敷料或縫線,通過創(chuàng)造良好的創(chuàng)面愈合環(huán)境減少炎癥、感染并促進(jìn)傷口愈合。

有學(xué)者將搭載銀納米粒子的明膠/聚氨酯電紡納米纖維膜作為口腔傷口敷料,體外抗菌實(shí)驗(yàn)表明具有良好的抗菌活性,并能抑制牙齦卟啉單胞菌、伴放線聚集桿菌和中間普氏菌等牙周致病菌生長(zhǎng),這些細(xì)菌同時(shí)也是種植體周圍黏膜炎及種植體周圍炎中的致病菌[32-33]。Schulz等[34]通過電紡技術(shù)得到明膠/PCL納米纖維膜,將牙齦成纖維細(xì)胞與牙齦角質(zhì)形成細(xì)胞接種其上,結(jié)果顯示細(xì)胞生長(zhǎng)狀態(tài)良好,將它作為傷口敷料應(yīng)用于種植術(shù)后牙齦裂開的小豬模型中,結(jié)果顯示其能促進(jìn)種植區(qū)創(chuàng)口的愈合。有學(xué)者利用電紡技術(shù)制備取向性PCL納米纖維膜,其上負(fù)載有促血管生成的全反式維甲酸類藥物,檢測(cè)表明其能引導(dǎo)細(xì)胞方向性生長(zhǎng)的同時(shí)增加成血管基因表達(dá)與新血管生成,并進(jìn)一步構(gòu)建動(dòng)物模型證實(shí)了該納米纖維膜對(duì)大鼠種植區(qū)軟組織創(chuàng)口及全層皮膚創(chuàng)面有促愈合作用[35-36]。此外,作為種植手術(shù)相對(duì)禁忌證的糖尿病患者,氧化應(yīng)激、慢性炎癥刺激、新生血管減少等因素會(huì)導(dǎo)致其傷口愈合緩慢甚至不愈合,已有研究表明電紡納米纖維制成的傷口敷料可有效促進(jìn)糖尿病傷口愈合從而減少并發(fā)癥發(fā)生,但是目前主要應(yīng)用于皮膚創(chuàng)面,對(duì)口腔黏膜是否有療效還有待進(jìn)一步探索[37]。

電紡納米縫線在促進(jìn)傷口愈合及預(yù)防術(shù)后感染中也具有廣闊的應(yīng)用前景。Chen等[38]利用同軸靜電紡絲技術(shù)制備出負(fù)載銀納米粒子和慶大霉素的PCL納米纖維縫線,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示慶大霉素和銀離子可持續(xù)釋放超過5周并能抑制銅綠假單胞菌的生長(zhǎng),而對(duì)角質(zhì)形成細(xì)胞和真皮成纖維細(xì)胞的增殖和遷移沒有明顯影響。Gu等[39]應(yīng)用同軸靜電紡絲技術(shù)開發(fā)出一種搭載轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)的新型縫線,該縫線可持續(xù)釋放TGF-β1一周以上并可促進(jìn)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的生長(zhǎng)。

3 小結(jié)與展望

目前電紡納米纖維在GBR、種植體表面改性、傷口敷料及縫線等方面逐步受到關(guān)注,有望成為口腔種植領(lǐng)域應(yīng)用的理想材料。但是在大規(guī)模的臨床應(yīng)用中仍然存在一些挑戰(zhàn),如電紡過程中如何精確控制納米纖維直徑、形態(tài)、孔徑及孔隙率等結(jié)構(gòu)參數(shù)以適應(yīng)不同細(xì)胞或組織生長(zhǎng)條件的需要;探索環(huán)境友好型無毒溶劑體系以減低對(duì)納米纖維及制造環(huán)境的污染;尋找合適的消毒或滅菌方法以最大程度減少對(duì)納米纖維的影響;電紡過程的速度較慢等。此外,在國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)報(bào)道中電紡納米纖維的臨床應(yīng)用研究較少,遠(yuǎn)期效果還有待進(jìn)一步觀察。因此在未來可深入拓展對(duì)電紡聚合物及改性方法的研究,并加強(qiáng)電紡納米纖維的體內(nèi)及體外研究,從而為后續(xù)的臨床應(yīng)用奠定更豐富的理論基礎(chǔ)。