骨组织工程支架材料修复牙槽嵴裂的研究进展

2019-1-28 15:01  来源:国际现金博彩评测网医学杂志
作者:易芳 王斯任 褚衍昊 卢燕勤 阅读量:4837

    牙槽嵴裂是一种常见伴发于唇腭裂的先天性颌面部发育畸形,常表现为上颌牙槽骨缺损、牙弓完整性丧失、裂隙区牙齿阻生或异位萌出、口鼻瘘、上颌骨发育不足等,严重影响患者颌面部美观和功能,因此,修复牙槽嵴裂是唇腭裂序列治疗中的重要环节。目前,常用修复方法为混合牙列期骨移植,包括自体骨移植(常见为髂骨移植)、异体骨移植等。但自体骨移植骨量有限,取骨易出现疼痛、感染、神经血管损伤等并发症;异体骨移植有免疫排斥、传播感染性疾病和宗教限制等缺陷。

    组织工程学作为一门新兴的交叉学科为牙槽嵴裂修复提供了新途径,成为当前研究的热点之一。骨组织工程研究的中心环节是研制能够引导新骨生长的支架材料。本文就骨组织工程支架材料修复牙槽嵴裂的研究进展作一综述。

    1. 骨组织工程支架

    组织工程利用种子细胞、生物活性因子和生物材料支架三要素间的相互作用实现组织再生能力开发。骨组织工程采用组织工程学的原理和方法,研制具有修复骨缺损能力的骨替代物。利用骨组织工程技术修复牙槽嵴裂与传统的自体骨移植修复相比,其骨量不受供体限制,术中失血量、术后并发症和治疗总体费用明显减少。

    1.1 骨组织工程支架材料的作用

    骨组织工程支架材料是构建组织工程骨的主体,主要起到以下几方面的作用:1)是细胞及组织的支持性生物平台,引导骨组织生长形成特定形态;2)是细胞增殖分化及代谢场所,为干细胞分化和组织修复、再生提供微环境;3)可作为细胞外基质的替代物,调节细胞各种功能活动;4)可作为将信号分子送到缺损部位的载体,并作为缓释体使骨诱导因子持续发挥作用;5)用于承重部位暂时行使部分功能等。

    1.2 理想骨组织工程支架的特征

    用于修复牙槽嵴裂的理想骨组织工程支架材料应具有以下的特征。1)生物相容性;2)成骨性、骨传导性和骨诱导性;3)生物降解性:降解速度可控、与骨组织形成速度一致,修复牙槽嵴裂的组织工程支架在3~6个月内降解较适宜;4)三维(three dimensional,3D)多孔结构:多孔结构利于成骨和血管化;5)可塑性和适当力学强度:力学性能应与牙槽骨接近,能承担现金博彩评测网生理负荷且避免应力遮挡效应;6)支架材料表面应利于细胞黏附、增殖;7)良好的消毒灭菌性;8)不阻碍牙萌出和正畸移动。

    各种支架材料都存在一定的缺陷,还没有一种材料能完全符合理想的骨组织工程支架要求。例如,理想的骨组织工程支架材料的合适孔径大小还存在争议;支架高孔隙率利于缺损区血管化,但力学性能因此受到影响;骨密质和骨松质力学性能以及形态的差异使理想支架较难设计。因此,进一步研制、开发和改性适合于牙槽嵴裂临床应用特征的支架材料是未来研究的重点。

    1.3 骨组织工程支架的制造

    组织工程支架常用制备方法有静电纺丝法、气体发泡法、热致相分离法、溶剂浇铸/粒子沥滤法和冷冻-干燥法等。传统支架制造技术无法精确控制支架结构、形状、成分、孔隙形态、空间分布和孔径。增材制造技术采用材料叠加的方法制造实体,加工速度快且成形精度高,能更有效地促进功能组织的再生,很好地解决了传统制造工艺的缺点。目前,用于骨组织工程支架制造的增材技术包括3D打印、细胞打印、光固化成形、选择性激光烧结、熔融沉积成型等。

    3D打印技术是目前组织工程材料制备研究的热点,其使得组织工程支架设计制造更多样化,可精确制备出和牙槽嵴裂缺损区在形态、生物力学等特征相匹配的复杂三维多孔支架,以适应牙槽嵴裂多样形态及在口内复杂的功能环境和多元化的应力。目前3D打印技术仍存在所适用材料种类有限和经济可行性等问题,其相关技术还有待提高。

    2. 骨组织工程支架修复牙槽嵴裂的研究状况

    骨组织工程支架材料种类繁多,目前运用于牙槽嵴裂骨修复的主要有:1)单一支架,主要包括磷酸钙生物陶瓷支架、聚合物支架和异种骨材料;2)复合材料支架;3)负载细胞或生长因子支架等。

    2.1 单一支架

    2.1.1 磷酸钙生物陶瓷支架

    目前,运用于牙槽嵴裂修复的磷酸钙生物陶瓷支架主要为羟磷灰石(hydroxyapatite,HA)、磷酸三钙(tricalciumphosphate,TCP)和生物玻璃(bioactive glass,BG)。研究表明:磷酸钙生物陶瓷修复牙槽嵴裂与自体髂骨修复相比,其成骨无明显差异且并发症少。但磷酸钙力学强度不高、脆性大,这使其不能即刻负重。为使其性能得到优化,可在其中添加其他成分以提高力学强度,调节其降解速率;或复合其他材料、采用材料表面处理技术和纳米技术以改善其物理和生物性能。

    2.1.2 聚合物支架

    常用修复牙槽嵴裂的骨组织工程聚合物支架材料有天然高分子聚合物如胶原蛋白(collagen,Col)、纤维蛋白等和人工合成高分子聚合物如聚乳酸(polylactic acid,PLA)、聚乙醇酸(polyglycolic acid,PGA)、聚己内酯(polycaprolactone,PCL)、聚左旋乳酸(poly-L-lactic acid,PLLA)等。Pradel等用牛胶原基质成功修复1名男性患儿的牙槽突裂,裂隙区出现成骨且有尖牙萌出。但现有的聚合物支架材料力学强度差、体内强度衰减快,因此不能单独应用于承重部位的骨缺损。此外,某些聚合物(PLA、PGA)的降解产物易导致支架过早降解和植骨区炎症。这使得它们通常需要和其他材料复合使用,以提高其性能。

    2.1.3 异种骨材料

    异种骨有骨传导性,经过脱钙、冷冻、辐射或化学方法处理后能降低其抗原性,可保留部分骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP),具有骨诱导能力。牙槽嵴裂修复常用的为脱钙冻干骨、复合牛骨。把脱钙冻干骨和其他材料复合,可避免脱钙冻干骨过早发生吸收。研究表明:复合牛骨有良好的生物相容性且保留骨诱导活性,用其修复牙槽嵴裂可促进新骨形成,术后3~6个月即可被人体吸收。有研究者使用异种骨材料,在临床上成功修复了牙槽嵴裂。

    2.2 复合材料支架

    将几种单一材料组合形成复合材料,在性能上能取长补短,是支架材料发展趋势之一。复合材料支架主要有HA/TCP、Col/磷酸钙、PLA-羟基乙酸共聚物等。磷酸钙与聚合物复合,其中磷酸钙可提高支架的力学强度和生物活性,聚合物可提高支架韧性,两者复合还可增加支架降解时间,减小聚合物降解过快和降解过程中产酸引起炎症反应的缺陷。Takemaru等分别用自体骨、HA/Col/自体骨复合物修复15例单侧牙槽嵴裂的患者,结果显示:HA/Col复合物可以减少自体骨骨量。Ekin等运用β-TCP/Col支架修复大鼠临界尺寸牙槽嵴裂,新骨形成速率与自体骨相当。

    2.3 负载细胞或生长因子支架材料

    支架材料负载细胞、生长因子可引入骨诱导性,使用此类支架材料可显著加速和提高新骨形成的速度与质量。可用于骨组织工程的细胞较多,其中骨髓间充质干细胞(bone marrow-derived mesenchymal stem cell,BMSC)较容易获得,可分化成骨、软骨,在骨组织工程修复牙槽嵴裂中得到了广泛应用。有学者用β-TCP负载BMSC修复犬牙槽嵴裂,结果显示:β-TCP负载BMSC明显提高了骨生成和矿化率,且临近牙能移动至植骨区域。Huang等的研究证实:β-TCP支架负载间充质干细胞(mesenchymal stem cell,MSC)移植结合上颌快速扩弓是牙槽嵴裂替代自体骨移植的可行方法。研究表明:HA-TCP支架负载未分化MSC可较好地修复牙槽嵴裂。

    Jahanbin等用Col复合牙髓干细胞成功修复大鼠上颌牙槽嵴裂。BMP是一种特异的骨生长因子,它可诱导未分化的间充质干细胞向骨细胞及软骨细胞分化,促进骨再生,加速骨愈合,在牙槽嵴裂修复中应用较多。Nguyen等用HA-TCP支架负载重组人骨形态发生蛋白-2(recombinant human bone morphogenetic protein-2,rhBMP-2)修复大鼠牙槽嵴裂,结果显示其修复新骨形成率最高。有研究证实:用胶原海绵负载rhBMP-2成功修复单侧牙槽嵴裂,与自体髂骨移植比较其并发症明显减小。

    3. 存在的问题与可能解决的方法

    近年来,对修复牙槽嵴裂骨组织工程支架的研究取得了一系列的重要进展,但仍有一些问题需要解决:1)支架材料的降解速度与骨组织再生的速度相匹配、修复组织的血管化和神经化问题;2)如何设计和制备最适孔径、孔隙率和内部结构的三维支架;3)如何使支架具有适应现金博彩评测网颌面部受力特点的力学性能。

    为解决以上问题需要:1)发展复合材料、纳米材料等新材料,添加其他成分或对材料表面改性以改善材料性能;2)发展3D打印技术、仿生技术等材料的制备技术来改善材料结构;3)发展与应用镁合金等材料。镁合金支架可降解、生物相容性好、能诱导骨生成,能有效降低其他金属支架的应力遮挡效应,具备成为修复牙槽嵴裂优良支架材料的潜力,为牙槽嵴裂修复治疗带来了新希望。

编辑: 陆美凤

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