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脱矿牙本质基质材料在颌骨骨缺损修复的应用

2020-5-5 15:05  来源:口腔医学
编辑:冯子凡 康非吾 阅读量:2136

    自体骨移植被认作是修复牙槽骨缺损的金标准,但是此类移植方式往往会导致移植区的骨量缺失及术后并发症,并且移植骨量也受到限制。为了克服这些问题,研究者们一直在寻求更为理想的移植材料来作为自体骨的替代品。骨和牙本质有着相似的组成成分。它们由18%的胶原蛋白,2%的非胶原蛋白,70%的羟磷灰石,10%体液组成。骨和牙本质的基质是生长因子的储藏库,如骨形态发生蛋白、转化生长因子β、胰岛素样生长因子、成纤维细胞生长因子。

    骨和牙本质中的数种非胶原蛋白(如骨钙蛋白、骨桥蛋白)都是十分相似的,唯有牙本质磷蛋白是牙本质基质中特有的。在牙根外吸取的现象中,被吸取的牙根被替代成了骨,学者们受此启发,开始探究牙作为成骨材料的可能性。有关牙本质的骨诱导研究最早的报道追溯到1967年。Urist认为在牙本质和骨中的骨形态发生蛋白是使得材料拥有骨诱导能力的主要原因。之后Yeomans和Urist发现牙本质基质与骨基质十分相似,可以诱导骨的形成。

    体内实验显示脱矿牙本质基质(decalcified dentin matrix,DDM)是比未脱矿的牙本质基质(calcified dentin matrix,CDM)更加有效的骨诱导材料,因为在动物实验中CDM颗粒在8~12周时只有稀疏的新骨形成。未脱矿的牙本质所带来的骨诱导的推迟可能是因为磷灰石晶体阻碍了骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)的释放。Bessho等成功从人牙本质基质中分离出了BMP,虽然人牙本质来源的BMP不同于人骨来源的BMP,但是两种BMP拥有相似的功能。从而阐述了人牙本质基质成骨的机制。

    人DDM是一种含有胶原基质和成骨生长因素并且易溶于酸的支架材料,并拥有着良好的生物相容性,因此它是一种理想的骨替代材料。并且人DDM取自于人牙,而临床中许多被拔除废用牙及第三磨牙可以成为人DDM丰富的来源,并且加工成本低廉,如果人DDM能加工成一种良好的骨移植材料应用于临床中,那将使得骨移植的成本进一步降低,并且不受移植骨量的限制。本文就关于DDM体内及体外实验和临床应用情况做一个综述。

    1.脱矿牙本质基质材料的特性

    1.1脱矿牙本质颗粒的成分

    DDM含有5%~30%的矿物成分。X射线衍射分析显示有四种类型的磷酸钙(包括羟基磷灰石HA、β磷酸三钙、无定型磷酸钙、磷酸八钙),主要由钙磷比相当低的低晶体度HA组成。DDM中钙磷的含量和组成模式都与自体骨密质中的钙磷十分类似。DDM中的有机成分最主要的组成部分是Ⅰ型胶原。除了胶原蛋白外,DDM中还含有非胶原蛋白,与钙化有关的骨钙蛋白、骨粘连蛋白、骨桥蛋白、牙本质磷蛋白、牙本质粘蛋白和牙本质特殊细胞外基质蛋白等。

    牙本质磷蛋白附着在Ⅰ型胶原表面,促进钙化过程,是非胶原蛋白里主要的组成部分。牙本质粘蛋白在牙本质钙化中不可或缺;骨桥蛋白早期分化为成骨细胞诱导成骨,同时促进破骨细胞附着于骨表面,从而引起骨吸取。

    1.2DDM的骨诱导性

    Gomes等报道了兔自体的DDM切片在其颅骨中能激发新骨形成,并且能被吸取及重建,最后融入新形成的骨组织。有研究阐述了大鼠的颅骨缺损中新骨的形成不仅源于缺损边缘,也源于植入的牛DDM颗粒的周缘。他们认为DDM作为支架材料在植入后较短的时间内通过高效诱导新骨形成来修复骨缺损。

    Kim等的体内实验评估了背部植入人DDM的无胸腺小鼠的组织反馈。在两周时,新生的骨衬里细胞在没有炎症的情况下附着在了DDM颗粒表面,说明了材料有良好的生物相容性。Kim等的研究结果也说明了移植到裸鼠肌肉组织中的人DDM独立地诱导了软骨及骨的形成。DDM表面沉积的类骨质也说明了它的骨诱导性。

    1.3DDM的骨传导性

    Gomes等和Carvalho等评估了自体DDM在兔颅骨及上颌骨5mm的骨缺损中的骨传导性能。DDM能完全融入新成的骨组织并且在骨重建的过程中被吸取。DeOliveira等在大鼠上第二磨牙牙槽窝中使用了人DDM颗粒,并在其愈合过程中进行了成骨细胞中的BMP-2与BMP-4的免疫染色。结果显示人DDM作为支架材料有助于成骨细胞的分化,并且有利于新骨的渗透。同时基质的降解也伴随了BMP-2和BMP-4在骨缺损区的传递。Kim等确信人DDM在猪颅骨及窦腔中临界大小以下的骨缺损中有优秀的骨传导性能。DDM的优秀的骨传导性和骨重建的能力很可能是因为其中的矿物成分是有着较低结晶度的羟基磷灰石和磷酸三钙。

    1.4DDM支架的载药性

    以往的研究已经证明了DDM是一种良好的成骨材料,近年的研究着重于提高这种材料的成骨效率,例如搭载一些帮助成骨的因子——rhBMP-2。随着脱矿的牙本质表面开始诱导新骨以及本身的溶解,人重组BMP-2也开始释放,Ike和Urist在1998年就已经认为自体牙可以回收作为rhBMP-2的载体。在2005年,Murata等展示了rhBMP-2提升DDM在大鼠皮下组织中的骨诱导潜能并且提示从人体来源的DDM是一种特殊的、可吸取的以及有骨传导性的基质,可以作为一种有效的支架材料帮助BMP-2的传递。

    Kim等在体外实验进行了rhBMP-2从不同支架材料中释放的动力学比较,发现rhBMP-2在DDM颗粒中的释放是最持久的。暂时的结论是DDM是一种比TCP合成材料和无机牛骨材料更好的rhBMP-2载体。在一项关于蛋白质标志物表达的体内实验中也提示了搭载rhBMP-2的DDM在初期使得骨钙素在牙本质小管中的表达更为明显,并且骨钙素在裸鼠肌肉组织中的表达也更为稳定持续。在体内及体外的实验中的发现都提示了牙本质小管带来的多孔结构有利rhBMP-2的搭载和释放。

    2.脱矿牙本质基质材料的制备及分类

    2.1牙本质基质材料的加工

    牙本质作为植骨材料的制备方法不断改进,为了提高牙本质材料的成骨能力,并且降低感染及排斥的风险,研究者们尝试了许多技术手段进行加工,如:脱矿、煅烧、煮沸、冷冻等。实验证明煅烧、煮沸、冷冻等处理手段只能部分消除牙本质材料的感染物质,对于其成骨能力的提升没有明显作用。而经过脱矿处理后的牙本质由于无机物的减少,使得BMP的释放加快,从而使得成骨速度加快。

    2.2牙本质基质的脱矿

    实验证明,使用0.6mol/L的盐酸脱矿牙本质,消除牙本质中的大部分矿物成分和免疫原性物质,保留少量的矿物成分以及一型胶原和非胶原蛋白(non-collagenous proteins,NCPs),从而得到搭载了数种拥有骨诱导性和骨传导性生长因子的支架材料。2%的硝酸已经证明了可以用于牙本质脱矿,同时满足研究及临床用途。

    Inoue等比较了使用0.6mol/L盐酸及9mol/L柠檬酸脱矿的两种牙本质的诱导成骨的性能,他们发现使用柠檬酸脱矿的牙本质基质在诱导软骨内表面成骨的效果要弱于盐酸脱矿的牙本质。目前国内外已有许多学者证明了脱矿牙本质基质的成骨能力,并且对于其成骨机制有了一定的研究。牙本质基质的主要无机成分是羟磷灰石,是羟磷灰石形成了微观的支架结构,所以牙本质基质可以视作一种携带骨形态发生蛋白的支架材料。

    在脱矿处理前,高晶体度的牙本质基质会对骨形态发生蛋白的释放形成阻碍,并且由于牙本质小管的存在使得DDM颗粒拥有微孔结构(直径1~3μm,每mm2约有50000个微孔),这些小孔对于细胞的长入和体液渗透来说过小。而脱矿处理可以溶解一部分羟磷灰石,从而降低牙本质基质的晶体度,并且可以扩大牙本质小管并且松弛胶原基质,有利于骨形态发生蛋白的释放,此外脱矿之后DDM表面的微观粗糙度会明显增加,这样可使牙本质更易被血液或者其他体液所溶解。但是过度脱矿的牙本质基质会破坏支架结构,影响材料的骨传导性,也会降低成骨效率。

    在目前为止的研究中,学者们在制作脱矿牙本质基质的方法上并没有一个统一的标准,而对于脱矿的程度也没有统一的说法,在这一点上需要后期实验进一步的摸索及验证。

    2.3脱矿牙本质基质的分类

    近些年来很多研究者们开始重视起DDM立体结构形态的重要性。目前,DDM通常被制备成颗粒状或块状。DDM颗粒一般被制作成300~800μm大小的微粒,使用方式与无机牛骨材料相似。块状DDM被制作成牙根的形状。在块状DDM上人为制作了覆盖整个表面的大孔隙,直径约为300~400μm。这样的多孔性质可以提供更多的空间给成骨细胞附着和分化,也有利于周围组织的血管进入,从而影响材料的骨传导性。

    Kabir等报道了大孔隙(1mm直径)的块状牙本质基质在成年羊髂骨部位的大面积骨缺损中能够促进骨的新生。此外牙本质支架材料的人造大孔隙和超声脱矿技术可以提高材料表面性能,并且能在骨愈合的过程中形成了多个血管长入的中心,提高材料的成骨能力。

    3.DDM的临床应用

    在骨缺损修复方面,DDM表现出了良好的成骨能力。Pang等进行了一项人体实验,其中实验对象的下颌第三磨牙牙槽窝被充填了自体DDM颗粒,相比于对照组得到了更好的骨修复效果。在2010年,Kim等报道了6位同时接受了DDM植入和种植二期手术的患者的组织学评估。结果显示DDM经历了一个逐渐的吸取过程,经过了骨诱导和骨传导,46%~74%的DDM被替代为了新生骨。6年后,其中5位患者接受了CT检查,结果发现种植体周围的皮质骨及松质骨都形成良好,并且维持在种植体周围。由此可见DDM作为种植手术中的植骨材料拥有良好成骨能力。

    许多关于诱导骨形成和拔牙位点保存的临床实验都说明了新骨的形成是通过骨诱导及骨传导的方式形成的。在几项关于DDM作为GBR(Guide bone regeneration)植入材料的临床实验中都提示了DDM植入后的一段时间内(3、5、6个月)在组织学上可以观察到良好的骨愈合效果。在实验的GBR组中(14个种植体),种植钉上部结构加载后8个月中平均的骨量损失小于对照组(14个种植体)。关于15个病人及31个月随访的GBR的系列研究显示每人平均仅有0.47mm的骨量损失。

    以上实验说明DDM的植入对种植体周围骨量的保存有着积极的效果。另一项关于拔牙位点保存的系列研究显示了在功能性加载后平均22.5个月(12~34个月)的时间内种植体周牙槽嵴顶的平均骨量丧失仅在0.05mm左右。由于材料的骨传导性和骨重建的特性,骨组织在植骨材料植入后3个月内有明显的新生,在帮助拔牙位点的保存有着明显的效果。

    一项前瞻性随机临床研究比较了自体DDM和无机牛骨材料在拔牙术后增加牙槽骨骨量的临床疗效和组织学结果,研究结果说明自体DDM与无机牛骨同样有效。DDM颗粒在临床中也可应用于上颌窦提升术。第一项有关应用DDM颗粒于上颌窦提升的研究是Murata等于2003年报道的。这项研究采用计量学方法比较了DDM和其他不同种类的支架材料应用于上颌窦提升中的效果。在4个月后,所有的组别都显示了在植入物周围新骨的形成。

    在一项回顾性实验中两组患者分别接受了无机牛骨的植入(14人)和DDM的植入(18人),通过MicroCT和组织学检测进行上颌窦提升术效果的评估,结果显示DDM组的成骨效果与无机牛骨组相当。研究者们测量了DDM组和人工合成无机牛骨组在进行上颌窦底提升术之后的骨量吸取。术后1年,DDM组平均吸取0.76mm,而人工合成无机牛骨组平均吸取0.53mm。这些结果说明了DDM应用于上颌窦底提升术时是一种良好的材料。

    4.结论

    迄今的大量研究已经证明脱矿牙本质基质是一种性能良好的植骨材料,其可行性也逐渐在临床实验中得到验证。但是这种材料也有缺点,如制作周期较长,且制备十分复杂,需要经过粉碎、脱脂、脱钙、病毒核酸灭活、消毒等物理和化学处理。脱矿牙本质基质产生成骨作用的本质为BMP,不同的制作方法势必会影响BMP的活性。未脱矿牙本质含有的羟基磷灰石对骨缺损区有空间维持作用,但其中的羟基磷灰石会阻碍牙本质中的BMP释放,使其成骨作用缓慢。

    因此,如何提高牙本质植骨材料的成骨效率,值得在实验和临床应用中进一步探索。此外脱矿牙本质作为一种具有良好生物学性能的支架材料可以搭载不同生长因子从而促进骨的形成也得到了证实。

    总之,牙本质来源广泛,加工简单,成本低廉,自体移植无排异反应。经过改进,牙本质有望成为一种颇具应用前景的植骨材料。

编辑: 陆美凤

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