壳聚糖在口腔颌面组织工程修复中的研究现状

王苗，张风河

（山东大学口腔医院，济南250012）

1 引 言

壳聚糖是由自然界广泛存在的几丁质经过脱乙酰作用后得到的天然阳离子多聚糖，其分子结构与细胞外基质中的糖胺聚糖相似，能黏附细胞，易于成膜，壳聚糖降解后可以产生葡萄糖胺和具有抗菌活性的壳寡糖，最终随机体代谢排出体外，具有优良的生物相容性和抗菌性［1］。鉴于以上优点，壳聚糖被广泛应用于组织工程中，近年来在口腔组织再生中成为研究热点，研究者将壳聚糖及其衍生物与其他材料复合制备出了三维多孔支架和缓释生长因子的微球及纳米微球，进一步促进了口腔组织工程学的发展。

2 壳聚糖在口腔颌面部组织工程支架中的应用

2.1 骨组织工程支架

骨支架要求既在尽可能提高孔隙率的情况下有足够的强度，又可被人体降解吸收，且支架材料的降解速度应与新骨形成的速度相匹配，不应在新骨形成之前降解，同时不应阻碍骨组织的形成［2］。壳聚糖结构与骨及软骨基质中的糖胺聚糖结构相似，无抗原性，能促进成骨细胞的粘附、生长、增殖和分化［3］，动物实验证实壳聚糖3D多孔支架生物相容性好，易于细胞和新生血管的长入，并能在大鼠皮下和肌内能诱导异位成骨［4］，但由于其强度较低，脆性大，韧性差，降解速度慢，纯壳聚糖支架不能满足骨组织工程支架的要求，可通过与其他材料联合制作复合支架。Miranda等发现壳聚糖与明胶络合可使前者的强度增大、降解速度加快，通过改变壳聚糖和明胶的比例可以调节壳聚糖/明胶复合支架的降解速度［5］，由此推断通过调节支架中以上两种材料的比例即可满足成骨速度不同部位的骨再生性修复；Zeng等［6］制备了丝素蛋白/壳聚糖多孔支架，并通过体外实验得出40%丝素蛋白、60%壳聚糖复合材料制备的支架最适于成骨细胞的生长，且降解速度稳定，对细胞的亲和力强，还可促使成骨细胞分泌胞外基质；Saravanan等［7］通过冷冻干燥法制备了壳聚糖/明胶/氧化石墨烯复合支架，实验证明该支架机械性能显著提高，可促进大鼠胫骨缺损部位沉积胶原纤维；李婷等［8］利用珍珠层粉能促进细胞成骨性分化的特点，制备了珍珠层粉/壳聚糖多孔支架，提高了支架的机械性能，经实验表明，当珍珠层粉与壳聚糖的质量比为1：1时复合支架的孔隙率和降解性能最佳。以往的研究发现羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）与壳聚糖在改善材料生物学活性方面有协同促进作用［9］，但因其难以降解，有暴露和引发感染的风险，阻碍了HA在组织工程支架中的应用，近年来纳米羟基磷灰石、纳米生物陶瓷等的合成，改善了HA的生物学性能，表现出更优良的生物相容性和吸附能力，王菲等［10］制备了纳米羟磷灰石/壳聚糖/聚丙交酯支架，并通过细胞学实验证实纳米羟磷灰石：壳聚糖：聚丙交酯的质量比为20∶10∶70时表现出良好的成骨诱导性。此外，较新的研究发现碳纳米管在骨组织再生中具有广阔的应用前景，Ilbasmis-Tamer S等［11］制备了壳聚糖/多壁碳纳米管复合支架并研究了其对软骨细胞系的细胞毒性，得出该支架对软骨细胞无明显毒性，生物相容性好，为研究口腔颌面部新型骨组织工程支架奠定了基础。

2.2 牙周组织工程支架

牙周组织包括牙槽骨、牙骨质以及两者之间的牙周膜韧带，因此牙周组织再生包括软组织再生和硬组织再生，并且支架应该对牙周膜成纤维细胞的排列方向具有引导作用，使最终形成的牙周膜纤维垂直于牙骨质表面分布，且两端分别埋入牙槽骨和牙骨质中，才能实现功能性的牙周组织再生，这增加了牙周组织工程的难度。Park等［12］通过3D打印技术制备了可引导牙周膜纤维生长方向的多孔支架，该支架具有垂直于牙骨质表面的通孔，虽然新生的牙周膜纤维有一定的方向性，但在微观结构上，成纤维细胞的排列仍杂乱无章。Jiang等［13］在多孔壳聚糖支架中包埋了ε己内脂-聚乙二醇纳米纤维（见图1），动物实验证明经纳米纤维改进后的多孔壳聚糖支架诱导再生的牙周膜纤维排列更加规则，但上述实验均仅在大鼠体内进行试验，与人体组织相差较大，有待深入研究。

图1 壳聚糖三维多孔支架包埋聚乙二醇纳米纤维的过程［13］Fig 1 The procedure of porous 3D chitosan scaffold embedding polyethylene glycol nanofibers［13］

近年来，细胞膜片技术在牙周组织工程中的应用，无需构建支架即可实现牙周组织再生，但由于细胞膜片的机械性能差，多将其与支架材料或骨引导再生膜联合应用以取得较佳效果，因壳聚糖具有良好的成膜性，同时有抗菌和促进血凝块形成的作用，在制备GBR膜中具有广阔的发展前景，如以壳聚糖为基质，包括胶原、羟基磷灰石、多聚糖类等的两种或多种材料制备成的复合膜。总体上壳聚糖复合膜从单层结构向不均一多层结构发展，形成具有多种生长因子纳米缓释系统的高质量骨引导再生膜［14-16］。

2.3 神经组织工程支架

神经组织工程支架利用天然或人工合成的导管模拟神经外膜或神经束膜，导管内充填条索状、细管状（模拟神经内膜管）或海绵状物质，作为引导雪旺氏细胞迁移和神经轴突生长的通道。屈振宇等［17］通过用壳聚糖-胶原再生室修复兔面神经缺损的实验证明壳聚糖-胶原膜能促进面神经生长，并能有效防止与周围组织黏连、瘢痕形成和神经瘤形成，这主要是因为壳聚糖能促进神经膜细胞和血管内皮细胞的生长分裂，而抑制成纤维细胞的生长［18］。但壳聚糖脆性大，韧性差，Fregnan等［19］利用3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷（3-Glycidoxypropyltrimethoxysilane，GPTMS）对神经导管进行了改进，并经动物实验证明 GPTMS能增加壳聚糖/磷酸氢盐神经支架的强度且使降解速度更加平稳。Wlaszczuk等［20］制备了由聚乳酸-羟基乙酸共聚物（poly（lactic-co-glycolic acid，PLGA）外膜和壳聚糖海绵状核心组成的神经支架，发现壳聚糖分子量改变或微晶结构改变时，相同时间段内神经纤维的再生长度和炎症反应程度不同。

3 壳聚糖生长因子缓释系统

由于壳聚糖具有良好的生物相容性、黏附性、辅助渗透性，且在凝胶过程中蛋白质的羧基能与壳聚糖的氨基发生静电吸引，故壳聚糖可作为生长因子的载体应用于组织工程。此外，壳聚糖表面具有丰富的功能集团，因此，可通过吸附或包裹两种方式灵活运载不同药物，这是其他微球载体所不具备的功能［21］。已有大量研究利用壳聚糖微球或纳米微球运载转换生长因子、骨形态发生蛋白-2、血管内皮生长因子等，并经体外实验和动物实验证明壳聚糖生长因子缓释系统能长期平稳地释放药物，周庆梅等［22］通过对比实验表明复合壳聚糖/TGF-β微球的支架能进一步促进犬下颌骨骨组织再生。壳聚糖微球的制备方法较多，如溶剂挥发法、乳化交联法、凝聚法等［23］，如何利用尽可能简单且对生长因子生物活性破坏小的方法制备形态规则、缓释效果好、具有靶向性的壳聚糖微球缓释系统是亟待继续研究的问题。此外，考虑到口腔组织再生的前提是尽可能控制炎症反应，为了同时达到控制炎症和促进细胞生长的目的，需要联合使用抗炎药物和生长因子，但许多一线抗炎药是疏水性的，而牙源性生长因子是亲水性的，单一组份的载体难以同时包埋以上两种性质相反的药物，因此，复合载体的研究引起了学者的重视，Niu等［24］构建了壳聚糖/聚乳酸纳米微球，为了防止被溶酶体降解，研究者将纳米微球在三聚磷酸盐溶液环境里组装成了直径78μm的微球颗粒（见图2），并包埋了醋酸氟轻松和骨形态发生蛋白-2（BMP-2），体外实验表明该壳聚糖/聚乳酸微球缓释系统能平稳地释放药物，在牙本质再生及牙周组织再生中具有潜在的应用价值。壳聚糖与其他材料复合制作的纳米微球还能提高对亲水性药物的包埋率，增强缓释效果，如Kim等［25］制备了运载BMP-2和胰岛素样生长因子（insulin-like growth factor-1，IGF-1）的壳聚糖/胶原微球缓释颗粒，通过体外实验证明所制备的微球载体能显著提高缓释系统的温度稳定性，并能降低IGF-1的初始释放速度从而改善其缓释性能。

图2 双极性壳聚糖-聚乳酸复合微球的制备［24］Fig 2 The preparation of bipolarity chitosan-polylactic microsphere［24］

4 小结

壳聚糖及其衍生物具有优良的生物学特性，且广泛存在于自然界，有巨大的应用价值，近两年来成为众多学者的研究热点，在口腔组织再生医学中的研究价值也日益突出。壳聚糖多孔复合支架可用于颌面部骨组织再生、牙周组织再生、神经组织再生等诸多领域，其机械强度较单纯的多聚糖类支架明显提高，且能抵抗感染、促进种子细胞的黏附。生长因子作为组织工程必不可少的三因素之一，应保证能在体内缓慢持续释放，即生长因子缓释系统，随着对壳聚糖的生化及物理特性的认识不断加深，研究者发现了壳聚糖作为生长因子载体的诸多优点，并对制备方法和微粒结构作了一系列改进，使壳聚糖生长因子缓释系统日趋成熟。将以上壳聚糖复合支架和纳米微球缓释系统结合可进一步改善壳聚糖支架的生物降解性且表现出优良的促组织再生的能力，并有望通过引入溶菌酶缓释系统或磷酸盐缓冲系统加快或减慢壳聚糖支架的降解速度［26］，从而实现支架的“可控性”降解。