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引导骨再生屏障膜改良的研究进展

2020-1-17 14:01  来源:华西口腔医学杂志
编辑:曹钰彬 刘畅 潘韦霖 涂缘 李春洁 华成舸 阅读量:9187

??? 引导骨再生术(guided bone regeneration,GBR) 是解决骨组织缺损问题的重要技术,使用引导骨再生屏障膜在牙龈软组织与骨缺损之间人为建立生物屏障,阻止成纤维细胞和上皮细胞向骨缺损区生长,确保骨缺损区的成骨过程不受上皮组织的干扰。此技术对牙周治疗和口腔种植具有重要的临床意义。

??? 引导骨再生屏障膜在GBR中发挥着不可替代的作用。理想的GBR膜不仅要具有防止成纤维细胞进入骨缺损部位的屏障作用,同时要能够促进成骨细胞的黏附、增殖和骨组织的再生。此外,GBR膜还应该具有良好的生物相容性、生物可降解性、适合的理化和机械性质。但是广泛使用的胶原膜暴露抗原后易产生炎症反应,并不利于骨组织的再生。

??? 近年来针对引导骨再生屏障膜的改良已经成为研究热点,本文对引导骨再生屏障膜改良的现状进行剖析,并对其前景进行展望,为进一步展开骨再生及修复的相关研究工作提供参考。

??? 1.抗菌性的改良

??? 细菌侵入引起的炎症反应,会抑制成骨细胞的生长,从而影响引导骨再生术的效果,甚至导致手术的失败。研究者希望通过阻止细菌侵入来保证或提高骨再生的效果。多种抗菌药物都被搭载至GBR膜以用于增强抗菌性。

??? 1)大环内酯类。大环内酯类抗生素在抗菌的同时可促进巨噬细胞极化。Mathew等采用溶剂蒸发法将阿奇霉素搭载到聚己内酯(polycaprolactone,PCL)/磷酸钙(calcium phosphate,CaP)电纺纤维膜中,并保证纤维膜可持续释放阿奇霉素14 d。相对于PCL/CaP膜,搭载阿奇霉素可有效抑制金黄色葡萄球菌的感染,明显提高8周内的新骨体积和覆盖面积,其机制为促进巨噬细胞从M1表型向M2表型的极化,M1/M2表型的比例从0.75降低到了0.28。

??? 2)硝基咪唑类。硝基咪唑类药物可以抗感染并提升屏障膜综合表现。Xue等研究发现,搭载甲硝唑的PCL电纺纳米纤维膜不会影响人牙周膜成纤维细胞和大鼠成骨样细胞的生长,但是能阻止成纤维细胞渗透到膜的另一面;还能抑制具核梭杆菌的生长,提高PCL膜的亲水性和生物可降解性;其中加入30%甲硝唑的电纺纤维膜具有最优的综合性能表现。该团队还研究了PCL/明胶(gelatin,GA)混合膜加入甲硝唑后,机械强度降低,加入10%甲硝唑时拉伸强度最低,而后在30%时达到最大强度,其余生物学性质与搭载甲硝唑的PCL膜类似。张良等报道加入了替硝唑的GA膜持续释放替硝唑达3 h,能满足牙槽手术的需求。

??? 3)四环素类。四环素类抗生素兼备抗菌与促成骨的效果。能释放多西环素的胶原膜在感染骨组织缺损的动物模型中能使牙龈卟啉单胞菌污染的骨缺损达到完全无菌,且成骨量评分(0.40±0.55)高于未加入多西环素的膜(1.80±0.45)(P<0.05)。而包含了搭载米诺环素的壳聚糖纳米颗粒的不对称胶原(collagen,Col)/壳聚糖(chitosan,CS)膜,放置于体内骨缺损处1月时,该膜几乎完全吸取,相较于未加入米诺环素的膜,留存了足够的骨组织生长空间,新骨中可见骨髓和成骨细胞,同时有丰富的小血管长入。

??? 4)其他抗菌物质。月桂酸(lauric acid,LA)是一种存在于人血清和其他自然来源的典型的游离脂肪酸,具有良好的生物相容性,能对抗多种微生物。聚乳酸-羟基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolicacid),PLGA]、纳米磷灰石和LA构成的三层屏障膜,表现出了对具核梭杆菌和牙龈卟啉单胞菌的生长抑制和杀菌效果,其抗菌效果呈现出LA的剂量依赖性。

??? 2.成骨性的改良

??? GBR的最终目的是促进骨细胞的生长,并最终形成骨质。因而提高引导骨再生屏障膜的生物相容性,提高成骨细胞的黏附、增殖,增加骨质的沉积量,也是一个重要的研究方向。

??? 2.1 骨替代材料的改进

??? 多种骨替代材料被加入引导骨再生屏障膜中,诱导成骨细胞的生长,促进骨质增生,提高GBR的效果和成功率。近年来,骨替代材料的种类和形式都得到了进一步的研究。

??? 1)CaP。利用静电纺丝法制备PCL超细纤维膜支架,采用体外过饱和钙磷矿化液浸泡法,在电纺膜上仿生沉积CaP,矿化48 h后材料接触角为0°,即润湿性良好,成骨细胞形态也更加铺展,提示细胞相容性良好。

??? 2)羟磷灰石(hydroxyapatite,HA)/纳米羟磷灰石(nano-hydroxyapatite,nHA)。HA是一种常见的骨生物材料。Han等研究表明,PCL/nHA/Col混合膜能模仿天然骨组织的成分,相对于PCL膜能同时提高成骨细胞的生存率和成骨矿化量,用该膜包裹的自体肌腱组织植入4~8周后,其最大负荷和硬度都获得了近50%的提升。Tu等在真空条件下用溶液共混法及溶剂挥发法制备了非对称结构的nHA/CS膜,该膜的nHA沉积面朝向骨缺损植入12周后,可见更多板状骨形成,膜的降解程度也更高。

??? 3)双相磷酸钙(biphasic calcium phosphate,BCP)。BCP由HA和磷酸三钙组成,一般认为其生物活性高于HA。研究对比了PCL膜、PCL/PLGA膜、PCL/GA膜和PCL/BCP膜的生物学性能,发现PCL/BCP膜的细胞相容性和血管化程度不如PCL/GA膜,但是成骨量比其他膜至少高出25.9%。

??? 4)生物活性玻璃(bioactive glass,BG)。BG能与组织形成化学键合作用,从而替代和修复组织。阳离子处理的PLA/BG膜取得了良好的成骨效果。硼酸盐BG(borate bioactive glass,BBG)具有相对于传统骨替代材料更优秀的生物降解性和生物活性。PLA/PCL混合纤维电纺膜中加入BBG,机械强度、尺寸稳定性和湿润时破坏膜所需的能量相对于PLA/PCL膜均降低,但干燥时破坏加入10%BBG膜所需的能量明显增高,1周内成骨细胞的增殖都得到了促进,且加入5%或10%的BBG并无明显差异。

??? 5)硅纳米粒子(silicon nanoparticle,Si-NP)。近年有研究表明,Si-NP可能成为一种生物陶瓷的替代物。向电纺PCL膜中均质地加入Si-NP能同时提高材料的抗拉伸能力,但遗憾地是,碱性磷酸酶活性的出现时间推迟,且无研究表明Si-NP/PCL膜能提高材料的骨诱导性,今后尚需进一步的实验研究。

??? 2.2 促进成骨的药物搭载

??? 实际上,具有促进成骨效果的物质的范围十分广泛。如前所述,多种抗生素在提高抗菌性的同时也能增加成骨效果。成骨信号通路中涉及的多种蛋白质分子和细胞因子等能起到促进成骨的作用。近年引导骨再生屏障膜的研究中涉及的化学药物主要包括以下2种。

??? 1)N-甲基吡咯烷酮(N-methyl-2-pyrrolidone,NMP)。通过化学气相沉积和浸渍两种方式加载不同浓度NMP的PLGA膜中,发现化学气相沉积获得的PLGA膜能缓释NMP,并且气相沉积10%NMP的膜能获得最佳的成骨效果。但是值得怀疑的是,同一个体上建立的空白对照中成骨比例也存在明显差异,实验动物的基线水平的不同可能对实验结果产生了严重的偏倚。

??? 2)表没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechin gallate,EGCG)。EGCG是一种具有多种生物活性的绿茶提取物。研究表明,EGCG交联的胶原膜具有更出色的热稳定性、亲水性和拉伸强度,减少了核因子(nuclear factor,NF)-κB、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factors,TNF)-α、白细胞介素(interleukin,IL)-1β、IL-6等炎性因子的表达水平,这可能与其对成骨细胞黏附增殖的促进有关。进一步的研究在该交联膜表面修饰以聚乙二醇(polyethyleneglycol,PEG),该屏障膜的生物相容性得到进一步提高,骨肉瘤细胞的存活和黏附得到极大提升,但对TNF-α的抑制作用无明显改观。

??? 2.3 成骨相关细胞因子的搭载

??? 成骨相关细胞因子,如成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factors,FGF)、转化生长因子(transforming growth factor,TGF)-β、骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)等,都被证实具有不同程度的成骨诱导和成骨促进作用,并广泛地出现在各类成骨相关的研究中。

??? 1)碱性成纤维细胞生长因子(basic fibroblast growth factor,bFGF)。Cao等制备了一种肝素(heparin,Hep)静电结合bFGF后加载的PCL膜,其能缓慢释放bFGF长达3周,第4天时碱性磷酸酶活性明显提高,第7天时骨肉瘤细胞增殖数量达到其余组的2倍左右,这提示Hep-bFGF/PCL膜对于类成骨细胞的增殖可能有一定的促进作用。

??? 2)BMP2相关肽P28。将P28加入矿化的小肠黏膜下层脱细胞基质(mineralized small intestine submucosa,mSIS)中,发现肝素能使P28的缓释时间延长一倍到40 d,Hep-P28/mSIS在2周的时间内,能不同程度地增强Runx2、Col-1α、骨钙素和骨桥蛋白等成骨相关基因的表达,从而使新骨面积比例从未加入P28的16.27%±3.89%提高到了38.94%±5.26%。

??? 3)成骨生长肽(osteogenic growth peptide,OGP)。细菌纤维素(bacterial cellulose,BC)是一种适合于组织工程的材料,单层的BC比双层的效果更好。向BC/HA混合膜中加入OGP或五肽OGP,通过检测Runx2等成骨相关基因发现,短期内OGP或五肽OGP能促进成骨细胞的分化和活性,但从长期来看,成骨效果的促进主要来自于BC/HA膜,这提示OGP的长期成骨效果尚不能明确。将五肽OGP加入BC-Col双层膜中时,可见2~4周时修复区域更多的骨组织形成。

??? 3.新材料的研发和使用

??? 研发的新材料包括以下3类。

??? 1)新型的高分子生物膜。复合高分子膜的开发是一个重要方向。聚左旋乳酸-PEG-多面体低聚倍半硅氧烷、聚丁二酸丁二醇酯/聚碳酸亚丙酯等材料的屏障膜可能为以后的研究提供一些基础和线索。高波等将聚氧化乙烯电纺到CS/Col膜中,进一步提高了新骨形成的比例。

??? 2)脱细胞基质膜。Hwang等制成了来源于猪心包膜的细胞外基质(extracellular matrix,ECM)膜,该膜表现出更高的拉伸强度(14.15%±2.24%)和与胶原膜相近的成骨量,同时长达3个月的降解时间提示其可能具有更强的酶降解抵抗性。Turri等报道了将ECM膜覆盖在填充硫酸钙的骨缺损位点上,能观察到良好的血管再生和骨再生的现象,同时材料的生物降解性也十分优良。另外Hep-P28/mSIS膜也是一种新型的脱细胞基质膜。

??? 3)蚕丝蛋白膜。Lu等用蚕丝蛋白制作了全新的引导骨再生屏障膜,并且指出蚕丝蛋白纳米纤维膜具有令人满意的机械稳定性、生物相容性和低降解性,能在无任何炎症反应的条件下提高新骨的再生量。另外,该团队还进行了蚕丝蛋白膜释放锶的研究,证明锶能抑制破骨细胞活性并促进成骨。

??? 4.总结与展望

??? 综上所述,尽管目前临床上广泛使用的胶原膜已经具有较良好的表现,但是由于一些不良反应的存在,骨组织工程学界还在不断探索新的引导骨再生屏障膜。近年来,不同的学者从不同的方面对屏障膜进行了改进,主要是改进其抗菌性和成骨性两大方面,也有研究开发了全新材料的屏障膜。

??? 希望未来的研究能综合运用多种对引导骨再生屏障膜有改良效果的技术手段:1)采用纳米粒子、纳米纤维和三维支架等方法继续改良材料的内部结构;2)采用基团修饰、分子结合等方法继续改良屏障的表面结构;3)将传统的屏障膜与更多能增强抗菌、促成骨的物质通过一定的方式结合;4)向引导骨再生屏障膜引入更多具有良好生物相容性、生物降解性和成骨诱导性的新材料。目前关于新型引导骨再生屏障膜的制备尚有一定的困难,相对于商业化生产的胶原膜,骨重建的效果提升也还相对有限。将来尚需要有更多的研究去关注如何获得制备更简单、再生效果更明显、临床适用性更强的引导骨再生屏障膜。期待未来能有更多新型的引导骨再生膜进入临床试验阶段,并最终走进临床。

编辑: 陆美凤

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