水凝胶缓释系统在牙周组织再生中的应用

夏侗樑，董家辰，束 蓉

上海交通大学医学院附属第九人民医院·口腔医学院牙周病科，上海市口腔医学重点实验室，上海市口腔医学研究所，国家口腔疾病临床研究中心，上海 200011

牙周组织是指由牙龈、牙槽骨、牙周膜及牙骨质组成的包绕在牙齿周围的功能系统。当牙周组织出现疾病时，将对牙龈、牙槽骨、牙周膜及牙骨质造成一定程度的破坏，如牙周袋形成、附着丧失、牙槽骨吸收、牙齿松动等，最终可导致牙齿丧失且危害口腔甚至全身健康［1-3］。牙周病的最终治疗目的为牙周组织再生。牙周组织再生技术包括再生性手术、生长因子的应用、牙周组织工程以及基因治疗（基因强化的组织工程）等。生长因子的应用对于牙周再生治疗有着至关重要的作用［4］。釉基质蛋白（enamel matrix protein，EMP）作为牙周组织再生的重要生长因子，能有效地促进牙槽骨、牙周膜及牙骨质的再生，但是由于其主要活性成分釉原蛋白（amelogenin）在体内可被多种蛋白酶快速水解［5-6］，其效应性对于缓慢的牙周组织再生过程来说较为不利。水凝胶（hydrogel）是一类以水作为分散介质的高分子聚合物，因其具有良好生物相容性及缓释性，被作为载体应用于牙周组织再生研究中。

1 牙周组织再生

早在1982年，Nyman等［7］便首次通过再生性手术，将膜性材料作为生物屏障，用来引导牙周膜细胞先附着于根面，形成理想的生理性修复，以达到牙周组织再生。此技术具有理想的治疗效果并得到广泛的临床应用［8］，然而也受到诸多因素的影响，包括术前适应证的选择以及术后的维护等，都可能影响最终手术效果［9-10］。很多学者都希望找到更好的再生性方法，因此，组织工程技术在牙周领域迅速发展［11-13］。刘宏伟等［14］将体外培养的犬骨髓基质细胞以胶原膜作为载体，有效修复了犬磨牙根分叉骨缺损，取得显著的牙槽骨再生；宋忠臣等［15］应用组织工程技术将EMP与作为种子细胞的骨髓基质细胞联合应用修复了恒河猴的牙周缺损，结果表明该组织工程技术显著促进了牙周组织再生。

2 水凝胶的研究进展

牙周组织工程除了种子细胞、生长因子外，支架材料也是不可或缺的重要组成部分［16］。理想的支架材料应具有良好的生物相容性和安全性，生物降解性及降解可调性［17］，以利于细胞的黏附与增殖。

水凝胶类似于细胞外基质，吸水后可相对减少与周围组织的摩擦和机械作用。水凝胶和血液、组织液以及人体组织接触时，也会表现出良好的生物相容性［18-19］，其黏附蛋白质及细胞的能力比较弱，因此与组织接触的水凝胶既不会影响生命体的代谢过程，同时组织代谢产物也可以轻松穿出水凝胶。

水凝胶在生物医学、药物传递及控制释放、组织工程等方面皆已得到了广泛的关注及应用。可用于皮肤烧伤创面的涂敷物［20］，当水凝胶材料直接与人体组织接触时，可作为屏障防止体外细菌及微生物的侵入，保持创面表面水化，防止体液流失，同时还能不阻断氧气到伤口的通路，对于烧伤创面愈合有较为显著的促进作用。水凝胶还可以作为药物缓释系统（drug delivery system，DDS）将最低药物量长时间维持在患部［21］。有研究［22］发现水凝胶具备了储存药物、控制释放速度、驱动释放3种功能，既能调节制剂的强度及硬度，也能起到促进分解、赋形的作用，还可以遮蔽医药品的苦味和气味。此外，可注射水凝胶还可以作为治疗疾病的药物载体或再生目的以及组织工程的细胞载体［23-25］。

Galler等［26-27］将脱落的人乳牙内的牙髓干细胞（stem cells from human exfoliated deciduous teeth，SHED）和恒牙牙髓干细胞（dental pulp stem cell，DPSC）在多肽-两亲性（peptide-amphiphile，PA）水凝胶支架中培养，4周后观察发现这2种干细胞在水凝胶中都能增殖、迁移和分化，通过组织学分析显示水凝胶降解，细胞外基质发生矿化现象。有学者在自组装多肽水凝胶中联合牙髓干细胞和转化生长因子β1（transforming growth factorβ1，TGFβ1）、成纤维细胞生长因子2（fibroblast growth factor 2，FGF2）、血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）后，结果显示获得了较好的细胞黏附、细胞增殖及牙髓样组织生成的效果［28］。

3 水凝胶在牙周组织再生中的应用

近年来，水凝胶被大量地作为细胞载体［29］及支架材料［30-31］应用在牙周组织再生的研究中。

研究人员常以具有抗菌活性、生物黏附作用、絮凝作用、低抗原性、生物相容性、生物降解性、温度敏感可逆凝胶化性质［32-33］的壳聚糖及明胶等为基础物质制备水凝胶，用来强化水凝胶缓释系统在牙周组织再生中的应用。吴广升等［34］将EMP加入到壳聚糖温敏凝胶中，发现有促进大鼠骨髓基质细胞在壳聚糖温敏凝胶中的增殖及成骨向分化的作用，并且观察大鼠皮下的壳聚糖温敏凝胶直径及质量变化，发现壳聚糖温敏凝胶在大鼠体内具有良好的组织相容性和可吸收性。宁航等［35］采用温敏水凝胶PCLA-PEG-PCLA搭载重组人釉原蛋白（recombinant human amelogenin，rhAm），透过一系列实验观察分析后得出相较于单纯rhAm组，载rhAm水凝胶缓释系统组对于人牙周膜成纤维细胞（human periodontal ligament fibroblasts，hPDLFs）能够更好地促进其增殖和黏附，虽然迁移能力不如单纯rhAm组，但在促进hPDLFs成骨及成牙骨质能力方面有更加显著的上调作用。Yan等［36］在酶固化壳聚糖水凝胶加入牙周膜细胞（periodontal ligament cell，PDLC），发现该水凝胶具有高度的生物相容性和生物降解性。此外，无细胞加入的壳聚糖水凝胶可以改善牙周再生的功能韧带长度，表明该水凝胶具有很大的临床应用潜力。Miranda等［37］制备了壳聚糖-透明质酸（chitosan-hydroxyapatite，CS-HA）水凝胶支架，将两者的优势特性结合，发现其多孔性具有较高的磷酸盐缓冲溶液（phosphate buffer solution，PBS）摄取率；阿尔玛蓝（Alamar blue）实验显示细胞活力增加，CD44高表达，提示细胞在CS-HA支架上有较高的迁移率。

尽管利用支架材料可以在一定程度上支持组织再生，但其本身并不具有诱导组织再生的能力。而生长因子作为一类具有诱导组织再生的活性信号分子，可以通过与特异的、高亲和的细胞膜受体结合，调节细胞生长及其他细胞功能。刘丽霞等［38］将壳聚糖凝胶与富血小板血浆（platelet-rich plasma，PRP）以不同比率共混后，观察到壳聚糖温敏凝胶的孔径随着PRP加入的比例增加，从起初的50μm逐渐增大到组织工程支架材料理想的200～300μm［39］，并分析得出在获得缓释PRP的特殊性能后能有效地促进犬的骨髓基质细胞的增殖和碱性磷酸酶（alkaline phosphate，ALP）水平的表达，有望作为支架材料应用于牙周组织再生研究中。Momose等［40］将具有上调细胞行为和伤口愈合作用的FGF2与胶原水凝胶支架结合应用在比格犬的根分叉缺损中，观察到FGF2-胶原水凝胶支架可促进大量细胞和组织的生长，其中含有大量的细胞和血管样结构，促进了牙槽骨的重建，并且未观察到关节僵硬、牙根吸收等异常愈合现象。Tamura等［41］在中、重度牙周炎患者治疗中采用黏骨膜瓣手术，用含有碱性成纤维细胞生长因子（basic fibroblast growth factor，BFGF）的明胶水凝胶（BFGF/明胶水凝胶）填充每个骨缺损部位，观察后发现牙周袋的探诊深度减少、临床附着水平增加以及X线可见骨填充，得出局部应用BFGF/明胶水凝胶可促进伴有骨下缺损的慢性牙周炎患者的牙周再生。Chien等［30］应用了一种可注射温敏性壳聚糖/明胶/磷酸甘油水凝胶包裹诱导性多能干细胞（induced pluripotent stem cell，IPSC）与骨形态发生蛋白6（bone morphogenetic protein-6，BMP-6）联合使用，发现IPSCs-BMP-6-水凝胶复合物可促进成骨、新结缔组织的分化和牙周韧带的形成，而且最大限度地减少了炎症的进展，为促进牙周组织再生提供了一种新的策略。Xu等［42］通过将壳聚糖、b-甘油磷酸钠（b-glycerophosphate，b-GP）和明胶作为原料制备出可注射温敏性水凝胶，并加入阿司匹林/促红细胞生成素（erythropoietin，EPO）后观察发现，CS/b-GP/明胶水凝胶负载阿司匹林/EPO除了缓释时间长、体内外均无毒性外，还可以抑制炎症反应，恢复牙槽骨高度，具有良好的抗炎和牙周组织再生作用。

纵观以上相关研究不难发现，欲针对牙周组织受损进行修复，需要种子细胞、生长因子、支架材料这三大要素之间巧妙的配合，找出适合牙周组织再生的策略，以达成组织工程造福人类的目的。

4 结语

综上所述，水凝胶作为一种迅速发展的新型功能高分子材料，具有一些传统材料所不具有的突出性能，包括智能化、药物利用度高及安全方便等优点，已作为细胞载体及支架材料广泛地应用于牙周组织再生的研究中，可在一定程度上降低研究的局限性，促进牙周组织再生。相信未来随着医学和科技的发展以及对其研究的进一步深入，水凝胶作为缓释系统在牙周炎治疗方面的应用能开拓出更广阔的天地。

参·考·文·献

[1] 束蓉.牙周组织再生[J].中国实用口腔科杂志,2008(7):399-403.

[2] 束蓉.牙周病病因及治疗研究进展[J].上海交通大学学报(医学版),2007,27(6):625-628.

[3] Khanuja PK,Narula SC,Rajput R,et al.Association of periodontal disease with glycemic control in patients with type 2 diabetes in indian population[J].Front Med,2017,11(1):110-119.

[4] 张玉峰.诱导性生物材料与牙周组织再生[J].中华口腔医学杂志,2017,52(10):615-619.

[5] 姜涛.组织蛋白酶K在牙体硬组织形成中的作用研究[D].西安:第四军医大学,2017.

[6] Shin M,Chavez MB,Ikeda A,et al.MMP20 overexpression disrupts molar ameloblast polarity and migration[J].JDent Res,2018,97(7):820-827.

[7] Nyman S,Lindhe J,Karring T,et al.New attachment following surgical treatment of human periodontal disease[J].J Clin Periodontol,1982,9(4):290-296.

[8] 梁秋羽.引导性组织再生术在牙周病治疗中的应用[J].全科口腔医学电子杂志,2019,6(6):66,68.

[9] Murphy KG,Gunsolley JC.Guided tissue regeneration for the treatment of periodontal intrabony and furcation defects.A systematic review[J].Ann Periodontol,2003,8(1):266-302.

[10] 李捷,邓雪莲.引导性组织再生术治疗牙周病疗效及安全性评价[J].现代医院,2015,15(12):69-70.

[11] Fernandes G,Yang S.Application of platelet-rich plasma with stem cells in bone and periodontal tissue engineering[J].Bone Res,2016,4:16036.

[12] Chen FM,Jin Y.Periodontal tissue engineering and regeneration:current approaches and expanding opportunities[J].Tissue Eng Part B Rev,2010,16(2):219-255.

[13] Langer R,Vacanti JP.Tissue engineering[J].Science,1993,260(5110):920-926.

[14] 刘宏伟,欧龙,庞劲凡,等.自体骨髓基质细胞用于牙周骨缺损移植的动物实验研究[J].牙体牙髓牙周病学杂志,2000(3):117-119.

[15] 宋忠臣,束蓉,谢玉峰,等.釉基质蛋白联合骨髓基质细胞促进牙周再生[J].上海交通大学学报(医学版),2007,27(6):634-637.

[16] 吕雪雯,潘春玲.牙周组织工程的研究进展[J].中国医科大学学报,2019,48(12):1132-1136.

[17] Rodríguez-Vázquez M,Vega-Ruiz B,Ramos-Zúñiga R,et al.Chitosan and its potential use as a scaffold for tissue engineering in regenerative medicine[J].Biomed Res Int,2015,2015:821279.

[18] 金志来,刘杰,杨建军,等.聚氨酯水凝胶在生物医学工程中的应用[J].中国胶粘剂,2009,18(3):61-64.

[19] 何贵东,李政,华嘉川,等.水凝胶在医学领域应用研究进展[J].化工新型材料,2017,45(5):223-225.

[20] 陈晶晶,冯高科,陈玺宇,等.智能型水凝胶用于皮肤烧伤治疗的研究进展[J].医学综述,2019,25(6):1171-1175.

[21] 崔桓,冯松福,陆晓和.将水凝胶作为药物缓释载体的研究进展[J].当代医药论丛,2020,18(4):18-20.

[22] Malmsten M,Bysell H,Hansson P.Biomacromolecules in microgels:opportunities and challenges for drug delivery[J].Curr Opin Colloid Interface Sci,2010,15(6):435-444.

[23] Lee JH.Injectable hydrogels delivering therapeutic agents for disease treatment and tissue engineering[J].Biomater Res,2018,22:27.

[24] Liu M,Zeng X,Ma C,et al.Injectable hydrogels for cartilage and bone tissue engineering[J].Bone Res,2017,5:17014.

[25] Pupkaite J,Rosenquist J,Hilborn J,et al.Injectable shape-holding collagen hydrogel for cell encapsulation and delivery cross-linked using thiol-michael addition click reaction[J].Biomacromolecules,2019,20(9):3475-3484.

[26] Galler KM,Cavender A,Yuwono V,et al.Self-assembling peptide amphiphile nanofibers as a scaffold for dental stem cells[J].Tissue Eng Part A,2008,14(12):2051-2058.

[27] Galler KM,Aulisa L,Regan KR,et al.Self-assembling multidomain peptide hydrogels:designed susceptibility to enzymatic cleavage allows enhanced cell migration and spreading[J].JAm Chem Soc,2010,132(9):3217-3223.

[28] Galler KM,Hartgerink JD,Cavender AC,et al.A customized selfassembling peptide hydrogel for dental pulp tissue engineering[J].Tissue Eng Part A,2012,18(1-2):176-184.

[29] Li J,Yin X,Luan Q.Comparative study of periodontal differentiation propensity of induced pluripotent stem cells from different tissue origins[J].JPeriodontol,2018,89(10):1230-1240.

[30] Chien KH,Chang YL,Wang ML,et al.Promoting induced pluripotent stem celldriven biomineralization and periodontal regeneration in rats with maxillarymolar defectsusing injectable BMP-6 hydrogel[J].Sci Rep,2018,8(1):114.

[31] Chen L,Shen R,Komasa S,et al.Drug-loadable calcium alginate hydrogel system for use in oral bone tissue repair[J].Int JMol Sci,2017,18(5):989.

[32] Fernandez J,Ingber D.Manufacturing of large-scale functional objects using biodegradable chitosan bioplastic[J].Macromol Mater Eng,2014,299(8):932-938.

[33] 张丹丹,叶海,平其能,等.明胶的改性及其在医药领域的应用[J].药学进展,2017,41(8):600-607.

[34] 吴广升,王勤涛,惠光艳,等.可注射型壳聚糖温敏凝胶物理性能和组织相容性的观察[J].牙体牙髓牙周病学杂志,2010,20(11):614-617+621.

[35] 宁航,夏一如,董家辰,等.载重组人釉原蛋白水凝胶缓释系统对人牙周膜成纤维细胞生物学特性的影响[J].上海交通大学学报(医学版),2019,39(3):244-252.

[36] Yan XZ,van den Beucken JJ,Cai X,et al.Periodontal tissue regeneration using enzymatically solidified chitosan hydrogels with or without cell loading[J].Tissue Eng Part A,2015,21(5-6):1066-1076.

[37] Miranda DG,Malmonge SM,Campos DM,et al.A chitosan-hyaluronic acid hydrogel scaffold for periodontal tissue engineering[J].J Biomed Mater Res B Appl Biomater,2016,104(8):1691-1702.

[38] 刘丽霞,吴广升,关继东,等.壳聚糖温敏凝胶并PRP对骨髓基质细胞增殖分化影响[J].齐鲁医学杂志,2012,27(4):363-365.

[39] 陈登龙,李敏,房乾.电纺丝技术在纳米结构高分子支架中的应用[J].中国修复重建外科杂志,2007(4):411-415.

[40] Momose T,Miyaji H,Kato A,et al.Collagen hydrogel scaffold and fibroblast growth factor-2 accelerate periodontal healing of classⅡfurcation defects in dog[J].Open Dent J,2016,10:347-359.

[41] Tamura T,Yokoya S,Kamata Y,et al.Periodontal regeneration using gelatin hydrogels incorporating basic fibroblast growth factor[J].Biomed J Sci Tech Res,2018,4(2):3820-3824.

[42] Xu X,Gu Z,Chen X,et al.An injectable and thermosensitive hydrogel:promoting periodontal regeneration by controlled-release of aspirin and erythropoietin[J].Acta Biomater,2019,86:235-246.