牙周组织工程支架材料的研究

牙周组织工程支架材料的研究
【摘要】牙周组织工程的研究日益受到重视,寻找理想的支架材料是目前牙周组织工程研究的热点之一。

本文就目前研究比较多的几种支架材料的研究现状、优缺点及牙周组织工程支架材料今后尚待解决的问题和发展趋势等做一综述。

【关键词】牙周组织工程;支架材料
组织工程的关键是构建细胞和生物材料的三维空间复合体,该结构是细胞获取营养、气体交换、废物排泄和生长代谢的场所,是新的具有形态和功能的组织、器官的基础[1]。

目前组织工程支架材料主要有两大类:一类是人工合成材料,采用人工技术加工而成。

如:羟基磷灰石、聚乳酸、聚羟基乙酸等;另一类是天然生物衍生材料,由天然生物组织经一系列理化方法处理而得。

如:天然骨、胶原、珊瑚等。

1 人工合成材料
在合成材料中,用于牙周组织工程的支架材料目前研究较多的有:①无机材料,如羟基磷灰石(HA)等;②高分子有机合成材料,如聚乳酸(polylactic acid,PLA)、聚羟基乙酸(polyglycolic acid,PGA)及两者的共聚物[poly(lactic-glycolic acid),PLGA]等。

1.1 羟基磷灰石及纳米羟基磷灰石
HA与组成人体硬组织的无机成分相似,与骨组织及软组织具有良好的结合性能,作为替代骨组织的生物活性材料,具有很大的潜力和应用前景。

Yoshikawa 等[2]将鼠骨髓成骨细胞与多孔HA体外复合培养2周后植入鼠皮下,1周后即有新骨生成,以后逐渐增多。

可见,采用组织培养技术将成骨细胞置于多孔HA中培养后形成的复合物在体内能很快发挥成骨作用。

AlliotLicht等[3]研究了HA对牙周韧带细胞(PDLC)行为的影响,结果发现在HA作用下,PDLC经历了一个短暂的去分化过程,然后向成骨细胞方向转化。

但HA的脆性太大,限制了它的临床应用。

纳米羟基磷灰石的研究近年来迅速发展,如纳米HA陶瓷具有良好的生物相容性,Wang等[4]证明其烧结温度比普通陶瓷材料可以降低100~200℃。

Webster等[5]将纳米HA陶瓷与普通HA陶瓷对比,体外细胞培养5 d后观察到成骨细胞的多形性在前者更明显:28 d后观察,碱性磷酸酶的活性在纳米HA陶瓷更明显,纳米陶瓷的矿化也明显高于普通陶瓷。

因此认为与普通陶瓷相比,纳米HA陶瓷具有优越的骨结合性。

Webster等[6]还证明类破骨细胞在纳米HA陶瓷的活性较强,能更快的促进骨吸收,加快新生骨组织的生成。

纳米技术中也存在许多问题,如纳米颗粒的易聚集倾向,纳米颗粒在有机物中的分散问题,以及纳米材料的长期临床评价,都需要进一步研究探讨。

1.2 聚乳酸、聚羟基乙酸及两者共聚物PLA 、PGA、PLGA在机体内可以完全降解吸收,这是其作为载体的主要优越性之一。

随着材料降解,复合在载体材料中的种子细胞、生长因子等缓慢释放,起到持续形成牙周组织的作用。

与其他载体一样,如何使PLA、PGA及PLGA载体降解与新组织形成的时间相协调是尚待解决的难题。

作为载体,PLA、PGA及PLGA通常无毒性、无致热性、无致敏性、无细胞毒性、无致畸致癌作用,具有良好的组织相容性,但其植入机体后均不可避免的导致机体出现异物反应和无菌性炎症反应[7]。

这些反应与聚合物降解缓慢和降解时局部酸性物质浓度过高有关。

因此,在保持复合体机械强度的基础上适当提高材料的降解速度;同时减少或中和局部酸性物质都是值得注意的问题。

PLA、PGA及PLGA可塑性良好,可以任意成形制成块状、条状、膜状、多孔状及囊状等,以满足不同复合方法和植入条件的需要,这是其他载体材料无法比拟的优点。

但复合了种子细胞和生长因子后,PLA、PGA及PLGA的机械强度有所下降,甚至会完全改变其原有形状。

虽然PLA、PGA、PLGA作为载体存在机械强度不够、复合体降解与新骨形成的时间不协调、异物反应、无菌性炎症等问题,但也有控释效果好、生物相容性好、可随新组织形成而吸收、可塑性好等明显优点。

因此其作为牙周组织工程的载体材料有很大的发展潜力,是当今值得进一步研究的课题。

2 天然生物衍生材料
目前研究较多的天然生物衍生材料有天然骨、胶原及珊瑚等。

2.1 天然骨衍生材料主要利用天然骨的无机或有机成分所形成的天然网状结构作支架,为种子细胞黏附、增殖、及发挥成组织作用提供良好的微环境。

董玉峰等[8]采用自制天然多孔煅烧骨结合BMP进行了诱导成骨的动物实验研究,发现术后56 d骨缺损处已有大量新生骨痂充填修复,术后84 d骨皮质成熟,髓腔再通,骨缺损消失,表明活性煅烧骨有良好的骨缺损修复能力。

这表明煅烧骨适合作为牙周组织工程的支架材料,但修复效果还待进一步研究。

阎俏梅、翁雨来等[9]将骨髓基质干细胞(BMSCs)经诱导、扩增后接种于冻干脱矿骨基质(fdDBM)上,经观察BMSCs能在fdDBM上黏附并生长,相容性良好,是较为理想的牙周组织工程支架材料。

但DBM在体内的成骨能力随物种的不同而变异较大,骨髓基质干细胞复合fdDBM对于成骨的促进作用,还有待进一步的体内实验验证。

2.2 胶原材料胶原是骨组织的主要成分之一,它为钙化组织提供必不可少的三维结构对矿物沉积有诱导作用。

Mizuno等[10]将骨髓基质干细胞接种于胶原上体外复合培养的研究发现胶原能诱导骨髓基质细胞分化为成骨细胞。

但Hguyeh
等[11]发现外源胶原植入体妨碍了牙周韧带细胞(PDLC)中钙化结缔组织细胞的分化,从而认为胶原不能维持牙周缺损区细胞功能的稳定。

不同的生物材料对细胞功能与分化有不同的影响,所以选择合适的载体与正确的种子细胞匹配是组织工程的关键。

2.3 珊瑚材料
天然生物珊瑚为海洋生物虫死亡后形成的沉积物,其主要成分为碳酸钙。

经处理后的珊瑚具有良好的生物相容性和可降解性,其三维相通的孔隙结构不仅能为种子细胞的黏附、增殖提供宽大的内部空间和表面积,而且有利于营养成分的渗透,可作为牙周组织工程的一种支架材料。

但珊瑚本身脆性大,无骨诱导作用,降解速度过快,单独使用效果并不理想。

对其理化性能以及生物学特性进行改良,可提高其对骨组织的修复能力[12]。

临床上多采用由珊瑚转化的HA及其复合BMP、生长因子、胶原等材料。

3 牙周组织工程的特殊支架材料
因牙骨质与骨相似且有其特殊性的特点,选用自体牙骨质片作为载体较其他生物材料具有良好的生物相容性,不仅能够促使骨髓基质细胞的黏附、增殖而且能够诱导其向牙骨质方向转化[13]。

但自体牙骨质片取材数量有限尚待解决。

4 结语
总之,虽然牙周组织工程支架材料的研究已经取得了相当大的进展,但与牙周组织工程对材料的要求相比,这方面的工作仍然任重道远,可以想象,未来的新型支架材料应该是能够博取各种材料的优点并取长补短,能够充分适应体内各种生理环境并能采用智能化的加工方式进行大批量生产的仿生材料。

参考文献
[1] 汤顺清, 周长忍, 邹翰. 生物材料的发展与展望.. 暨南大学学报(自然科学版),2000,21(5):122-125
[2] Yoshikawa T, Ohgushi H, Tamai S. Immediate bone forming capability of prefabricated osteogenic hydroxyapatite. Biomed Mater Res,1996,32(3):481-492.
[3] Alliot-licht B, De L ange GL,Gregoire M. Porous bioactive glass and hydroxyapatite ceramic affect bone cell function in vitro along different time lines. . Periodontol,1997,68(3):158-165.
[4] Wang J, Lim GK, Ong CL, et al. Self-setting hydroapatite cement as a carrier for bone-forming cells.. Euro Ceramics V, 1997,136(1):8-11
[5] Webster TJ, Ergun C, Doremus RH, et al. Processing and properties of
hydroxyapatite-based biomaterials for use as hard tissue replacement implants..Biomaterials, 2000,21(13):1803-1810.
[6] Webster TJ, Ergun C, Doremys RH, et al. Bioresorable devices made of forged composites of hydroxyapatite particles and polyllactide..Biomaterials,2001,22(11):1327-1333.
[7] Bostman OM, Harri K, Pihlajamaki G, et al. Femoral shaft reconstruction using tissue -engineered growth of bone.. Bone Joint Surg, 1998,80(A):1791-1794.
[8] 董玉峰, 侯希敏, 刘永辉. 天然多孔活性煅烧骨的制备及动物实验研究.中国矫形外科杂志,1997,4(4):315-316.
[9] 阎俏梅, 翁雨来, 催磊,等.骨髓基质干细胞与冻干脱矿骨基质材料体外附着的实验研究.口腔医学研究,2003,19(2):98-101.
[10] Mizuno M, Shindo M, Kobayashi D, et al. Osteogenesis by bone marrow stromal cells maintained on type Ⅰcollagen matrix gels in vivo. Bone, 1997, 20(2):101-107.
[11] Hguyeh L, Iekic P, Mculloch CAG.The application of recombinant human collagen in tissue engineering Periodintal Res,1997, 32(11):419-429.
[12] 何创龙,王远亮,等.骨组织工程天然衍生细胞外基质材料.中国生物工程杂志,2003,23(8):11-17.
[13] 陈明,刘宏伟,等.兔骨髓基质细胞与自体牙骨质片的体外附着生长.第四军医大学学报,2004,25(5):418-420.。