口腔种植中组织工程骨的研究进展

作者：何惠宇综述  阿达来提 阿合买提江审校

【关键词】  种植义齿

　　种植义齿已成为常规修复缺失牙的方法之一,种植义齿获得长期成功的先决条件是必须获得和维持种植的骨性结合。种植体周围骨间隙及缺损区的存在是影响即刻种植体获得良好骨结合的主要原因。Brunski［1］研究表明：只有种植体不存在肉眼观察到的动度和超过100 μm的微小动度，即刻负重的种植体仍然可形成骨结合，但宏观动度则会阻碍骨结合，使种植体周围骨结合率下降。为了消除种植体周围的骨缺损区，骨缺损被新骨替代或充填是即刻种植的牙种植体获得理想骨结合的必备前提。

　　1植骨材料的优选条件与现状

　　要获得理想的种植体骨间结合，优选的植骨材料应具备以下特点：（1）具有良好的组织相容性；（2）高度的骨引导性，可以促进骨缺损周围骨壁上的新骨形成；（3）具有较大的内表面积和多孔性，可有利于成骨细胞的粘附，便于新生血管和骨组织的长入；（4）吸收速度相对缓慢，以维持空间，促进长期的骨重建过程；（5）与天然骨相近的弹性模量，以保证应力应变环境［2］。目前应用的植骨材料有自体骨、生物衍生材料（异体、异种脱钙骨或冻干骨等）、生物医学材料（甲基丙烯酸脂、羟基磷灰石、β磷酸三钙（βTCP）、生物陶瓷、胶原、珊瑚等）及组织工程骨。自体骨仍是骨移植术的“金标准”，但临床应用有限,且会对自身骨组织造成损伤［3］；同种异体骨和异种骨存在排斥反应，且有传染疾病的危险；生物医学材料,如钙磷陶瓷或聚合物/陶瓷等缺乏骨诱导活性，降解速度与骨形成速度一致性难以控制；珊瑚等孔径与成骨细胞附着特性的差异［4］，这些因素均影响骨缺损区的良好结合。组织工程骨是利用生物组织工程技术将种子细胞与支架材料复合，形成具有与自体骨结构功能相似的骨组织，它弥补了多种单一植骨材料的缺陷，结合了它们各自的优点，具有组织相容性好、可塑性强、取材方便、可快速修复缺损等特性，因此，组织工程骨的研究与应用已成为骨缺损治疗的新突破点。

　　2组织工程骨

　　2.1种子细胞与支架材料骨组织工程种子细胞来源有骨、软骨、骨外膜、骨外组织、胚胎骨等。1965年，Chesterman和Smith 首次利用体外培养成功的软骨细胞修复松质骨和关节软骨缺损，以培养细胞移植修复骨和软骨缺损的应用研究取得很大进展［5］。骨髓基质干细胞又称骨髓间质细胞（Mesenchymalstem cells, MSCs），因其具有一切干细胞的自我更新和增殖分化的共性，参与机体组织的新陈代谢，更新正常凋亡细胞，维持造血系统的稳定，在诱导因子的作用下，体外培养可使特定细胞分化为骨细胞、软骨细胞、肌细胞、成纤维细胞等，所以成为组织工程骨的理想种子细胞来源［6］。骨组织工程研究的核心是构建类似人体骨组织结构和性能的组织工程支架，而支架材料的选择以及材料的理化性质，将直接决定其作为骨组织工程支架材料的可行性［7］。理想支架材料应具备以下特性：（1）良好的生物相容再生性；（2）良好的骨传导和骨诱导性；（3）具有三维立体多孔结构；（4）降解率与骨组织再生率相匹配；（5）能维持细胞的形态和表型，有利于细胞的粘附和增殖；（6）良好的生物降解性；（7）具备可塑性和一定机械强度；（8）来源广泛，价格低廉。

　　2.1.1生物医学材料与种子细胞复合从生物惰性材料到生物活性玻璃，从不可吸收降解材料到可吸收降解材料，生物材料越来越接近理想的骨组织修复支架材料。以往单一材料具有亲水性差、细胞吸附力弱、有骨传导作用而无骨诱导能力、在机体内降解时间难以控制、易引起周围组织的免疫反应及无菌性炎症、机械强度不足等缺点，这在不同程度上限制了它们单独作为骨替代材料在临床上的使用，采用2种或2种以上材料复合的方法来弥补单一材料进行骨组织修复的不足。Takagi等［8］用壳聚糖和磷酸三钙制备有良好赋形性质和生物亲和性的硬组织修复材料，实验证实：两者相复合具有与人体骨组织更为接近的理化性能。同时，将2种以上复合材料与骨髓基质干细胞复合形成组织工程化骨，使其既具有骨传导作用，又具有骨诱导作用。Hutmacher等［9］在聚已内脂（3DPCL）支架表面体外培养成纤维细胞和骨膜细胞3～4周后，发现支架全部互通的孔道及表面充满细胞样组织。应用骨髓基质细胞与复合珊瑚羟基磷灰石（CHA）构建组织工程骨修复犬下颌骨节段性缺损，显示有板层骨形成，连接处有骨性愈合［10］。Ueda等［11］应用MSCS和磷酸盐或βTCP复合物分别构建复合人工骨移植材料修复骨缺损，发现移植物形成大量类骨样物质，缺损已被完全修复。Amold等［12］将人骨髓间质干细胞培养在聚乳酸和聚羟基乙酸的共聚物(PGLA)与TCP混合多聚物上，分别于10、20、30和40 d检测碱性磷酸酶、骨钙素、DNA以及胶原的含量，结果显示：PGLA/TCP复合后共同植入体内，其成骨能力较单纯用PGLA/TCP修复骨缺损更为显著。卫爱林等［13］将βTCP、透明质酸（HA）、I型胶原（COLI）复合物作为诱导后的MSCs载体修复兔骨缺损，发现MSCs可作为骨组织工程的种子细胞，βTCPHACOLI复合物有较多的孔隙结构，降解速度快，组织相容性好，是理想的种子细胞载体。βTCPHACOLIMSCs复合物与自体骨有相同的骨修复能力，可作为自体骨移植的替代物。

　　2.1.2生物衍生材料和种子细胞复合目前应用较多的生物衍生材料有煅烧骨、同种异体骨、冻干骨和脱蛋白骨等，同种异体骨与自体骨具有相同的成分和结构，而猪骨和牛骨是目前研究最多的异种骨材料。Biooss是从牛骨中提取的一种碳酸盐磷灰石结晶体，其尺寸和力学性能更符合移植骨的要求，可作为新生骨组织再生的框架结构，并符合骨引导材料标准，Berglundh等［14］研究显示Biooss植入体内经过一段时间可以被降解吸收，被新生的骨组织所取代。耿威等［15］通过硬组织磨片技术，评价Biooss结合Biogide在牙种植体周围骨缺损中的引导骨再生作用及效果，结果显示：Biooss和Biogide联合应用于即刻种植周围骨缺损中，可以引导骨组织再生，重建缺损的骨组织，新生骨与种植体形成骨性结合。以异体、异种骨为支架材料复合干细胞应用于骨移植已取得一定进展。Perrg等［16］研究证实手术后立即将复合的新鲜自体骨髓、培养的自体MSCs和异基因冻干骨片段移植入骨缺损处，其移植骨的修复较单纯骨髓细胞联合骨片段的骨移植约快了3个月，且骨形成更有效。梁军等［17］运用具有骨组织天然网状孔隙系统（孔径为80~600 μm）且微孔表面可见胶原膜覆盖的WO1胶原生物衍生组织工程骨复合支架,材料成分和力学性能分析结果显示,其既具有胶原生物衍生骨材料的优越性，又增加了WO1促进骨再生的作用，还有缓释抗菌活性，是一种具备多种功能且理想的骨组织工程支架材料。利用旋转式细胞培养系统将骨髓基质细胞接种于煅烧骨胶原支架，在短时间内即有大量骨髓间质干细胞增殖，干细胞向成骨细胞分化加强，有利于移植骨的再生［18］。然而，异种、异体骨虽然经过化学、冷冻或射线处理等措施来抑制异体反应，但仍具有一定的抗原性。

2.1.3纳米级材料与种子细胞复合纳米结构聚合物/纳米级陶瓷复合物（纳米结构聚乳酸/羟基乙酸钛复合体）与普通材料相比，其增加了材料表面粗糙度，减少了表面的尺寸及孔隙的直径；增加了表面的亲水性，可以吸附更多的细胞在材料表面；使细胞与生物材料之间发生交联，提高材料组织相容性，从而有效提高成骨细胞和成软骨细胞的粘附，表明它是一种高效的修复材料［19］。Yang等［20］在体外用可生物降解的聚左旋乳酸（PLLA）制成多孔聚合的纳米纤维支架上培养神经细胞，发现细胞可在支架上良好生长。纳米结构β三磷酸钙基质骨作为移植的载体，取得了良好的骨结合效果［21］。载药纳米羟基磷灰石复合胶原材料具有良好的骨修复能力，又能在局部持续释放有效浓度的抗生素（克林霉素），防止骨移植术后的感染，是一种对伴有污染或感染骨缺损较理想的修复材料［22］。

　　2.2种子细胞、支架材料和生长因子复合生长因子具有促进细胞增殖、分化、趋化和刺激血管化等多方面的作用。已知与骨生成有关的生长因子且在骨细胞形成中起到非常重要作用的生长因子有骨形成蛋白（BMP）、转化生长因子β（TGFβ）、成纤维细胞生长因子（FGF）、胰岛素样生长因子1（IGF1）、血小板衍化生长因子（PDGF）、釉质基质蛋白及集落刺激因子（CSF）等。Ripamonti［23］以PGLA膜作为重组骨形成蛋白2（rhBMP2）、重组骨形成蛋白7（rhBMP7）的缓释载体，放置于狒狒牙槽骨的缺损处，能明显促进牙槽骨的再生。孔航等［24］运用新型的聚乳酸聚乙二醇（PLAPEG）共聚物作为细胞因子的载体修复兔下颌骨缺损，加BMP组在2周时较单纯PLAPEG组有明显促进成骨的作用，但在4周后无明显差异，而添加碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）组，在2、4周时新生骨的成骨量较其它2组有显著增加，提示bFGF在和PLAPEG以及BMP复合后发挥了促进毛细血管增殖的效应，在协同作用下加速骨缺损的修复。研究发现釉质基质蛋白可延长成骨细胞的生长期，并促进骨细胞的增殖和分化［25, 26］。但生长因子在体内很容易扩散稀释或被吸收降解，难以在新骨形成全过程中充分发挥其诱导成骨的作用，因此，国内外研究者们开始探索着将基因技术应用于骨组织工程中。Dunn等［27］对修复钛种植体周围骨缺损的组织工程化骨进行BMP7基因传递治疗，结果显示BMP7基因治疗可进一步促进新生骨与牙种植体结合。郑启新等［28］将具有多重生物学效应的bFGF转入MSCs，再与具有良好生物相容性的可降解多孔βTCP基质材料复合移植修复兔节段性骨缺损发现，bFGF基因修饰的MSCs增殖分化活性明显提高，且骨缺损能快速修复，有大量活跃的新骨及丰富的毛细血管生成，证实此三者的有机结合是一种具有良好生物活性的组织工程人工骨，从而为高质量的修复骨缺损奠定了良好的基础。PRP称富含血小板的血浆，又称作血小板浓缩物（PC）、自体血小板胶（APC）或血浆富含血小板（PVRP），其具有较强的促进软、硬组织创伤愈合的能力，能够使骨形成率提高1.62~2.18倍，密度增加19%~25%，明显缩短愈合时间，提高愈合质量［29］。近年来有研究表明：采用PRP与MSCs复合制成凝胶，运用在种植体与骨间的骨缺损中，不但可充填微小的潜在间隙，还可诱导牙槽骨的新骨生成，从而在很大程度上提高种植体骨的骨结合率［30］。综上所述，口腔种植中骨移植材料的发展经历了自体骨、异体异种骨、生物材料人工骨及组织工程骨几个阶段，不同的移植材料具有各自优势及不足之处，而组织工程骨近年来被认为是修复牙种植体植入区骨缺损及骨量不足较理想的选择，也是今后发展的主要方向。

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