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静电纺丝纤维作为牙周药物传递系统的研究进展

2020-4-10 14:04  来源:国际口腔医学杂志
编辑:程国平 丁一 郭淑娟 阅读量:5411

    静电纺丝技术是利用聚合物溶液或熔体在高压电场作用下形成喷射流拉伸从而形成纳米/微米级直径纤维的技术。静电纺丝纤维具有生物相容性好、比表面积大、孔隙率高、易改性和成本低等优点,可用于合成核-壳结构纤维、中空结构纤维、三轴结构纤维等新型生物材料,在再生医学、组织工程、创伤敷料、医用纺织材料和药物传递系统等领域研究广泛,作为牙周药物传递系统也具有良好的应用前景。本文就静电纺丝技术和静电纺丝纤维作为牙周药物传递系统的载药方式、载药类型、作用方式、应用形式及前景展望等方面进行综述。

    1.静电纺丝技术

    静电纺丝技术最早可追溯到1882年Rayleigh关于施加电荷用以克服液滴表面张力的研究,Formhals在1934年首次从丙酮/乙醇混合溶液中静电纺丝出纤维素乙酸酯纤维,并申请了专利。静电纺丝的2种基本形式是溶液静电纺丝和熔体静电纺丝:溶液静电纺丝操作简便,制备的纤维直径多为纳米尺度,但残存的有毒溶剂不易清除;熔体静电纺丝安全、高效,制备的纤维多为微米尺度,但需非常高的静电纺丝温度。

    静电纺丝纤维受聚合物特性(分子质量、溶解度)、聚合物溶液(粘度、浓度、表面张力、pH值、结晶速度和电导率)、静电纺丝参数(电压、静电纺丝液流速、喷丝口到收集器的距离、针头直径)及环境因素(温度、相对湿度)等影响。天然或合成聚合物是静电纺丝原料的主要来源,天然生物大分子如胶原蛋白、壳聚糖、丝素蛋白和纤维蛋白,具有良好的生物相容性,但因其潜在的免疫原性、物理机械性能差和静电纺丝难度大而应用受限,通过添加合成有机大分子如聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚己内酯和聚乳酸-乙醇酸共聚物[poly(DL-lactic-co-glyycolic acid),PLGA]等制备的静电纺丝生物支架材料,具有良好的理化性能和生物相容性。

    2.载药方式

    静电纺丝纤维作为牙周药物传递系统的载药方式主要包括涂层、浸泡、混合静电纺丝、同轴静电纺丝和多轴静电纺丝法。涂层和浸泡法存在药物有效转化率低和突释等缺点;混合静电纺丝法可能影响包封生物活性分子的活性,药物包封率低,且制备的纤维多无序排列;同轴静电纺丝法与多轴静电纺丝法则可以合成核-壳结构纤维和三轴结构纤维等新型结构纤维,载药效果更佳。同轴静电纺丝法可制备出具有核-壳结构的双层纳米纤维,可增强对生物活性分子的保护作用及缓释效果,其核-壳结构的完整性是防止药物爆发性释放的关键因素,核结构的厚度和组成成分通过控制药物包封率和药物扩散过程中的润湿行为来影响药物释放速率。

    He等以甲硝唑和柚皮素为研究对象,通过同轴静电纺丝制备出复合纤维膜,搭载柚皮素的PLGA形成核结构纤维,搭载甲硝唑的聚乙烯形成壳结构纤维;体外释药曲线表明甲硝唑短期快速释放,而柚皮素长期缓慢释放。Ranjbar-Mohammadi等以四环素为亲水性模型药物,PLGA和明胶为载体,通过混合静电纺丝和同轴静电纺丝分别制备PLGA、75% PLGA和50% PLGA复合纳米纤维膜,明胶含量的增加使复合膜亲水性增加;体外释药曲线显示PLGA纤维膜和75% PLGA混合纤维膜总释放量仅为35%,50% PLGA混合纤维膜第5 d总释放量达到90%;同轴静电纺丝制备的PLGA/明胶复合纤维膜具有核-壳结构,通过明胶核层包封四环素控制其释放速率,使四环素释放持续至第75 d,总释放量为68.10%。

    多轴静电纺丝是在同轴静电纺丝的基础上改良而成,载药性能得到进一步改善,可制备出多重结构化纤维,用于构建多重牙周药物传递系统,精确控制不同药物的释放速率;也可制备三轴通道纤维,即单根纤维中存在3个不同的层(核层、中间层和壳层),药物可搭载在一层或多层中,从而改变药物的释放时间曲线;也可以将中间层作为核层和壳层的隔离层,用作双重药物传递系统。通过多轴静电纺丝制备的具有聚L-丙交酯-己内酯核层和蛋白质/聚己内酯/明胶共混物表面层多重结构的生物支架,表现出良好的骨再生和抗菌性能。但由于工艺复杂,目前多轴静电纺丝在牙周药物传递系统方面的研究仍十分有限。

    3.载药类型

    牙周病治疗常用辅助药物有抗菌药物、非甾体抗炎药物及生物活性分子等。传统生物材料(如薄膜、水凝胶、纳米微粒和脂质体)作为牙周药物传递系统的研究表明,材料的组成成分及不同配比、制备方法、理化性能、生物相容性和生物可降解性是影响药物释放的主要因素。静电纺丝纤维作为牙周药物传递系统具有以下优势:可将一种或多种药物包封在纳米纤维内,避免早期释放和降解,提高药物生物利用度,降低药物毒性;可通过改变载药纤维的孔隙率和亲水性等以改善药物溶出性能,实现快速释放、延迟释放、缓慢释放或脉冲释放等目的。在静电纺丝之前将药物与载体鳌和,可提高药物包封率,延长释放时间。

    3.1 抗菌药物

    牙周病是由牙菌斑生物膜引起的牙周组织的慢性感染性疾病,将抗菌药物加载到静电纺丝纤维中,通过在特定牙位和位点缓慢释放药物来抑制细菌导致的炎症反应。Schkarpetkin等通过多喷嘴静电纺丝技术制备了载氨苄西林和甲硝唑的双层复合聚乳酸纤维;以载甲硝唑单层聚乳酸纤维为阳性对照组,高效液相色谱法分析显示,载甲硝唑单层纤维在96 h内释放出76%,其中在5 min内释放了60%,而复合纤维96 h内仅释放出44%甲硝唑。抗菌肽具有分子量低、抗菌活性高、稳定性好、无免疫原性等优点,近年来被广泛研究。

    He等通过序列逐层静电纺丝制备了包含屏障层和成骨层的双层明胶/壳聚糖/羟磷灰石复合电纺膜,使用电喷雾技术将载有抗菌肽的PLGA微球(AMP@PLGA-MS)均匀地分散在整个膜中,AMP@PLGA-MS的高膨胀率使其在膜表面快速扩散,抗菌肽在第4 d释放率达65%,而后随着PLGA降解长期缓慢释放;在4周时对大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌抑制率分别为68.26%和77.36%;尽管体外研究表明其具有优异的抗菌和成骨性能,但仍需体内研究进一步验证。

    3.2 抗炎药物

    抗炎药物通过调节机体的免疫炎症反应,终止牙周病的进展。美洛昔康为一种非甾体抗炎药物,Yar等制备了分别搭载0.03%、0.06%、0.09%和0.12%美洛昔康的壳聚糖/聚乙烯醇/羟磷灰石复合静电纺丝膜,对实验组进行25~500 ℃的热处理;使用扫描电子显微镜观察到实验组纤维直径减小,孔径增加;体外释药曲线表明,美洛昔康释放速率与初始浓度呈正相关,0~5 h快速释放,5~25 h以一定速率缓慢释放完全;实验组静电纺丝膜具有高膨胀比,使美洛昔康释放更加平稳。

    3.3 生物活性分子

    生物活性分子是一类具有特定化学结构并在体内能诱发特定的生物学效应的分子,包括生长因子、酶等,直接应用存在靶向性低、缓释性不佳、有效转化率低及可预期性差等缺点。将生物活性分子加入聚合物溶液中制备水凝胶等传统方法存在有效转化率低和突释等不足。静电纺丝生物支架材料作为生物活性分子的缓释系统,可在生物体内获得生物活性分子持续、可控制的释放。Chen等通过静电纺丝制备出负载人重组牙骨质蛋白(recombinant human cementum protein,rhCEMP)1的磷酸三钙/聚己内酯/胶原蛋白复合体,其中磷酸三钙纳米粒子形成核-壳结构,避免rhCEMP1在静电纺丝过程中发生蛋白质变性,同时促进rhCEMP1缓慢释放。

    Xie等以亲水性聚乙烯亚胺(polyethylenimine,PEI)为核层载体,以疏水性PLGA为壳层载体,制备了负载骨形态发生蛋白-2重组质粒(bone morphogenetic protein-2plasmid,pBMP2)的PEI/PLGA复合支架,具有清晰的核-壳结构;pBMP2的体外释药曲线显示,在最初24 h内的释放量为31.98%,而后可持续释放超过28 d,结果表明pBMP2包封在PEI/PLGA核-壳结构中,可避免pBMP2与有机溶剂直接接触而发生变性及短时间高水平释放,PEI/pBMP2显示出高转染效率,达到基因缓慢表达的目的。

    3.4 其他

    低浓度的地塞米松可促进人骨髓干细胞增殖、分化和相关蛋白质合成。El-Fiqi等制备了载地塞米松的生物活性玻璃纳米粒子(mesoporous bioactive glass nanoparticles,mBGn)/聚己内酯/明胶静电纺丝复合生物支架,体外释药曲线显示地塞米松载药率达63%,在24 h内快速释放35%,而后28 d内缓慢释放完全,可能与地塞米松与mBGn的易解离性和静电纺丝纤维良好的亲水性和降解性相关;同时mBGn提高了生物支架表面生物活性,缓慢释放大量的钙和硅酸盐离子。

    4.作用方式

    静电纺丝生物支架表面形貌可诱导干细胞通过整合素-配体整合方式黏附在其表面,进一步通过焦点黏链激酶(focal adhesion kinase,FAK)-类固醇受体辅助活化因子(steroid receptor coactivator,Src)途径引发下游FAK/MEK(丝裂原活化蛋白激酶/细胞外信号调节激酶激酶,mitogen activated protein kinase/extracellular signal-regulated kinase kinase)/细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK)、磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,PKB,Akt)、骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)和转化生长因子(transforming growth factor,TGF)β/Smad途径,促进干细胞增殖、分化及分泌细胞外基质,其主要通过抗菌抗炎和促进成骨途径实现牙周组织再生。

    4.1 抗菌抗炎

    搭载甲硝唑和柚皮素的静电纺丝纤维膜具有良好的抗菌活性,将大鼠骨髓间充质干细胞接种在其表面,通过扫描电子显微镜可观测到细胞具有典型的纺锤状形态,表现出良好的黏附、迁移、增殖和成骨分化能力。Batool等通过牙周结扎+涂菌法构建大鼠实验性牙周炎模型和机械去骨法构建大鼠牙周骨缺损模型,将搭载布洛芬的壳聚糖/聚己内酯复合纤维膜分别植入这2种动物模型中,实验组第7 d可见牙骨质增多和骨样组织生成,对照组在第15 d才检测到相似结果,表明通过将布洛芬包封入壳聚糖层中,可避免其生物活性在静电纺丝过程中遭受破坏,延长药物作用时间。

    Chaturvedi等选取7位慢性牙周炎患者(40个牙周位点)为研究对象,对照组仅进行洁刮术,试验组将搭载多西环素的聚己内酯静电纺丝纤维膜作为洁刮术后的牙周辅助用药,结果表明试验组在治疗后15和30 d的菌斑指数、牙龈指数、探诊深度和探诊出血指标改善明显优于对照组;体外实验也表明,在6 h内多西环素释放30%~40%,而后随着纤维降解而缓慢释放,在19 d释放完全。

    4.2 促进成骨

    将大鼠牙周膜干细胞接种到搭载地塞米松的mBGn/聚己内酯/明胶静电纺丝复合生物支架上,细胞碱性磷酸酶活性明显增加,再分别植入大鼠皮下和颅骨缺损模型中,表现出良好的组织相容性和成骨作用。将搭载rhCEMP1的磷酸三钙/聚己内酯/胶原蛋白复合生物支架与人牙周膜细胞共培养,可上调成牙骨质标记物(牙骨质形成蛋白和粘附蛋白)的表达,同时抑制成骨标记物(骨钙蛋白和骨桥蛋白)的表达,具有良好的生物相容性和成牙骨质诱导活性;植入兔临界骨缺损模型中,可促进牙骨质样组织形成。

    5.应用形式

    静电纺丝纤维在作为牙周药物传递系统应用的同时,还可作为牙周组织工程支架和屏障膜使用。Costa等通过熔融沉积建模和熔体静电纺丝的方法制备20% β-磷酸三钙涂层双相聚己内酯静电纺丝生物支架,包括无序纤维构成的骨室和有序纤维构建的牙周膜室,通过扫描电子显微镜观察可见磷酸三钙均匀涂布在支架表面,形成菜花状结构,具有良好的物理稳定性,与成骨细胞共培养6周,表现出良好的成骨诱导活性;将牙周膜细胞膜片和牙本质块结合在双相聚己内酯生物支架表面,共同植入裸鼠皮下8周,组织学检查显示在支架牙周膜室表面有成熟骨组织生成,少量纤维附着在牙本质块表面,且骨室和牙周膜室血管相互贯通生长。

    Bottino等制备了一种新型牙周屏障膜,表面层面向骨缺损一侧混入羟磷灰石纳米粒子,表面层面向上皮组织一侧混入甲硝唑,该静电纺丝膜的生物相容性良好,机械性能和生物降解性均符合生物支架材料的要求,有望用于体内引导牙周组织再生。当设计多层结构生物支架材料用于牙周药物传递系统时,可通过将促成骨和成纤维生物材料联合制备成复合体或有序纤维和无序纤维形成结构梯度,实现牙周膜和牙槽骨的协同再生。

    6.前景展望

    现阶段的研究主要集中于如何控制静电纺丝生物支架材料的孔隙率和纤维直径、新型复合静电纺丝材料的制备及细胞相容性的检测评估,而大型动物实验和临床应用研究较少。基于传统静电纺丝技术开发的牙周药物传递系统生物材料生产率低,多喷嘴静电纺丝技术有望达到工业化生产规模。目前静电纺丝制备的纳米纤维无法满足理想牙周组织再生的要求,近场静电纺丝通过降低喷丝口到收集器的距离(0.02~40 mm),在低压电场下制备出高度有序排列的纤维,为实现牙周膜功能重建提供了可能,但是需要使用操作复杂并且昂贵的多轴显微镜控制单根纤维在X-Y轴上的排列方向。

    未来,静电纺丝应与3D生物打印、快速成型、堆叠、分层等多种工艺结合,着重研究如何构建具有三维仿生结构的牙周药物传递系统;或与水凝胶、脂质体和纳米微粒等药物传递系统结合,以期获得理想的药物缓释效果;或设计可根据外界条件(如光、温度、pH值、电磁刺激)变化改变自身的理化性质(如刚度、形状和尺寸、亲水性和功能性分子固定化)的新型静电纺丝纤维,从而更好地引导细胞定向迁移、增殖和分化,实现真正的牙周组织再生。

    7.结语

    静电纺丝是一种简单、高效的制备纳米及微米尺度纤维的技术,具有生物相容性好、比表面积大、孔隙率高、易改性和成本低等优点,作为药物传递系统在牙周病领域表现出良好的应用前景。随着新原料的不断加入,静电纺丝技术本身的不断改良以及与其他技术的结合,有望为牙周组织再生寻找到理想的载药静电纺丝材料。

编辑: 陆美凤

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