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矿化胶原材料及其在口腔临床中应用研究进展

2019-11-1 15:11  来源:中国实用口腔科杂志
编辑:闫明 高飞 朱珊珊 王蔚 阅读量:2201

    近年来,骨缺损的再生修复一直是在口腔医学研究中的重要课题,目前临床应用的植骨材料主要分为自体骨、同种异体骨、人工骨三大类。自体骨成骨速度快,但供量有限且发生并发症风险大。同种异体骨骨传导性优良,但存在来源少、有免疫反应等缺点。

    矿化胶原作为一种优良的人工骨材料逐渐从一众植骨材料中脱颖而出。矿化胶原材料多由仿生学方法在体外制备而成,是一种在结构与成分上与人体骨高度相似的新型有效的人工植骨材料。矿化胶原材料促进成骨分化能力及其在体内产生的微环境变化,如影响巨噬细胞的极化方向等,都是目前研究的热点。本文围绕新型植骨材料矿化胶原的性质、分类及其在口腔临床中的应用3个方面,详细先容了目前研究的进展。

    1.矿化胶原材料的性质

    1.1化学组成

    天然的骨组织是复杂的生物矿化系统,具有分层结构,其基本单位是由有序、有组织的胶原蛋白和羟基磷灰石组成的矿化胶原蛋白。矿化胶原材料则是一种以胶原和羟基磷灰石为主要元素,模拟天然骨基质化学成分和微观结构的仿生复合材料。

    根据以往采用红外光谱分析仪(FTIR)的研究发现,矿化胶原与胶原两种膜在特征吸取峰处基本重合,说明胶原是其主基底材料;而在羟基磷灰石特征吸取峰处,矿化胶原膜有很强的吸取峰,说明其成分包含羟基磷灰石。同时,对矿化胶原材料样品进行观察,结果表明胶原和羟基磷灰石发生了吸附并产生了深层次的分子链之间的化学键合。通过FTIR研究结果验证了矿化胶原材料与天然骨组织的微观结构和化学组成相似。

    1.2结构

    结构是决定骨性能的重要因素,天然的骨组织是一种等级分层的生物矿化系统,可分为皮质骨和松质骨两部分。皮质骨结构致密,机械强度优良;松质骨充满贯联的孔隙,为细胞的增殖和迁移提供适宜的环境。矿化胶原材料在多孔结构和分层等级结构上与天然骨组织相似。首先,矿化胶原材料的多孔结构类似松质骨,有利于细胞、新生骨组织及微血管的长入,并且提供一个相互贯联的通道,营造出骨生长的最佳环境。同时,矿化胶原材料重现了天然骨中矿化胶原的等级结构,包含有多个层次,是一种具有严格等级结构的三维多孔纳米材料。与天然骨组织的这种相似性使矿化胶原材料除具有良好的生物学特性外,还具有接近天然骨的机械性能,可用于承重部位的骨缺损修复。

    1.3性能

    在结构和化学组成上,矿化胶原材料与天然骨组织非常相似,可以产生一个使骨细胞运动的良好微环境,满足骨组织工程领域对理想支架良好的机械和生物学性能的基本要求。大量的体外和体内研究已证实,矿化胶原材料具有良好的促进骨再生的能力。

    1.3.1机械特性

    理想的骨替代材料必须提供能够替代失去骨组织的初始机械强度,可以支撑成骨细胞增殖分化及骨基质蛋白的表达,并且材料需要与组织本身有相似的弹性模量。矿化胶原材料具有与天然骨组织相似的等级结构和微观结构,可以达到与骨组织相近的机械性能[(13.7±2.6)GPa],符合骨移植材料的要求。

    1.3.2生物学特性

    通过FTIR结果验证了矿化胶原材料与天然骨组织的微观结构和化学组成相似,这也提示了其生物学特性也可能与骨组织类似。(1)生物相容性:矿化胶原材料无毒性,对人体组织、血液无不良反应,也不被人体的免疫系统所排斥,为细胞活动提供一个良好的微环境。(2)骨传导性:矿化胶原材料的多孔结构能让细胞、血管和新骨组织生长到材料的孔隙中并紧密结合到材料上,利于新骨组织生长。(3)骨诱导性:矿化胶原材料作为支架诱导间充质干细胞等趋化、分化为成骨细胞,生成矿化基质和胶原蛋白,从而促进新生骨组织生长。(4)生物降解性:植入矿化胶原材料后,其被吸取在骨组织的表面和内部,同时伴有新骨的沉积,并且矿化胶原材料降解速率与新骨沉积速率是相符的。

    2.矿化胶原材料的分类

    与传统骨替代材料相比,矿化胶原材料具有许多独特的优点。随着仿生材料越来越被接受,目前在临床上应用的矿化胶原材料主要有以下几种。

    2.1骼金Bongold?骨替代材料

    骼金Bongold?孔隙率>70%,孔径约50~500μm,是一种由羟基磷灰石和Ⅰ型胶原蛋白合成的三维多孔材料。其模拟天然骨的矿化过程在体外合成,具有与天然矿化胶原蛋白相仿的微观结构。骼金Bongold?有薄膜状、海绵状等多种规格,适用于临床不同需求。

    2.2Bio-OssCollagen?骨替代材料

    Bio-OssCollagen?孔隙率>70%、孔径约300~1500μm,是一种由10%Ⅰ型胶原蛋白和90%矿物质组成的多孔材料,具有优良的骨传导性。临床使用的多呈块状和粉末状,适用于多种部位的骨缺损。

    2.3OSTEON?骨替代材料

    OSTEON?是由92%磷酸钙和8%Ⅰ型胶原合成的复合材料,可广泛应用于口腔临床,包括牙槽嵴增宽、拔牙窝移植、囊肿刮除后的骨缺损修复和牙周组织缺损修复等。其具有可吸取性,能任意塑形,可满足临床需求。

    3.矿化胶原材料在口腔临床中的应用

    矿化胶原材料是一种与天然骨组织相似的仿生骨替代材料,其在体内可作为支撑自体细胞增殖分化的骨组织工程学支架,有利于新生骨的沉积,目前在口腔临床中广泛应用。矿化胶原材料可根据临床需要的不同制备出骨粉、骨水泥、薄膜、充填塞等各种规格形状。

    3.1矿化胶原人工骨粉

    矿化胶原人工骨粉多具有三维多孔结构,可为血管和新生骨再生提供充足的空间,并具有独特的胶原酶被动降解方式,逐步自体化。矿化胶原人工骨粉适用于各种小范围骨缺损修复,如拔牙后位点保存、种植体周围骨缺损的充填修复、牙周病造成的骨吸取修复以及上颌窦提升术后、口腔颌面部良性肿瘤切除后、囊肿刮除后的骨缺损修复等。在临床研究中,将骨粉植入下颌骨囊肿刮除干净的骨腔中,并进行临床及影像检查。

    从临床疗效来看,患者多未发生术后出血、植入材料外溢、感染等并发症,无任何毒副反应,创口可达到Ⅰ期愈合,优秀率高达90%。术后12周影像检查显示,骨腔致密,植入的骨粉与附近骨融合。因此,矿化胶原人工骨粉是一种优良的骨替代材料。临床上也有将骨粉作为牙髓室穿孔的修补材料。将根管预备清理,把配置好的骨粉和胶原液调拌后置于穿孔处,使穿孔处严密封闭,再于髓室内放置小棉球,氧化锌暂封并观察。X线片结果显示,大多数患者牙髓室穿孔处稀疏区消失,说明矿化胶原人工骨粉是一种良好的牙髓窒穿孔修复材料。

    3.2矿化胶原引导骨组织再生膜

    近年来,矿化胶原引导骨组织再生膜逐渐应用于口腔临床,主要包括牙周病或囊肿造成的骨及软组织缺损治疗、牙槽嵴增高增宽和上颌窦提升术等。矿化胶原引导骨组织再生膜独特的双层结构能使其屏障保护功能长达3~6个月,为硬组织生长提供充分的空间,促进骨质再生和成骨细胞增生。目前的治疗中多将膜与植骨材料联合使用,同时利用即刻种植、微创拔牙等方法,提高骨组织和牙龈的修复及再生疗效。

    孙翼等在犬拔牙窝内植入骼金Bongold?并覆盖新型复合矿化胶原膜,经过3个月愈合后,观察牙槽骨高度和宽度的变化,分析成骨效果。X线和显微CT检查显示,牙槽窝内骼金Bongold?与矿化胶原膜结合后,骨小梁的结构更加趋于成熟和稳定,更为接近原有的骨小梁结构。

    3.3矿化胶原充填塞

    矿化胶原充填塞呈海绵状,其结构和组成与矿化胶原人工骨粉相似,有利于新生组织的形成。同时,充填塞具有一体化成型设计,可根据临床需要的不同选择其规格,也可在干态下任意塑形,适用于各种类型的骨缺损。充填塞主要应用于拔牙位点的保存,其可减慢骨吸取,保留剩余骨量,利于后续治疗;同时可减少术后止血不佳和干槽症的发生;还可用于根尖手术和颌骨囊肿刮除等造成的骨缺损修复等。

    王彦夫等通过在犬的拔牙窝内植入矿化胶原充填塞进行动物实验研究。实验结果显示,复合材料植入后3个月,骨小梁体积分数增长明显高于非植入充填塞组;且术后1个月组织学观察显示,充填塞的孔隙内已有大量成骨细胞移行生长,说明充填塞上成骨细胞的细胞活性更为活跃。通过扫描电子显微镜观察矿化胶原充填塞材料发现,其具有网状结构,可诱导细胞长入,利于新骨产生。

    3.4其他

    矿化胶原材料除上述几种规格形状外,还有充填仿生骨、骨泥等规格,均可供临床使用。此外,模拟天然骨组织的矿化胶原材料可广泛用于修复人体不同部位的各种骨缺损。目前口腔临床中应用的矿化胶原材料还可用于骨科和神经外科等临床研究。4展望随着组织工程及生物科技的进步,人工植骨材料因具有良好的性能、可避免供区损伤等优势,逐渐成为关注焦点。矿化胶原材料作为优良的骨替代材料,广泛应用于临床各个方面。

    本文就矿化胶原材料的仿生学制备方法、结构、合成机制、性能及其在口腔临床中的应用等方面做一综述,其仿生学方法制备及在体内产生的微环境变化等是目前的研究热点。但矿化胶原材料在许多方面仍需改进,如生物力学性能、等级结构和生物降解性等。进一步研究应着重探讨不同表面形貌、晶粒大小的矿化胶原材料对机体产生的不同效果,来增加材料的生物学活性,从而利于骨组织的再生,提高其使用价值。虽然多种矿化胶原材料已经商业化并应用于口腔临床,但仍需长期随访来确定其疗效。

编辑: 陆美凤

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