纳米材料在口腔骨缺损再生中的研究进展

吴梦婷 任 聪 周云芳 江银华

1.浙江中医药大学研究生院，浙江杭州 310053；2.浙江省丽水市人民医院口腔科，浙江丽水 323000

人体口腔内骨骼主要由有机物（胶原蛋白等）和无机物（羟基磷灰石，hydroxylapatite，HA）组成。健康的骨骼不仅可以提供刚度和韧性以承受高负荷，也提供物理化学和机械化学性能以维持细胞的生物活性。但如果发生严重损坏/疾病（如创伤、感染或关节炎），原本可以适应其功能结构对缺损进行自我修复的骨组织也可能会失去自我再生能力，因此寻找可以促进骨再生的骨植入物一直是一个紧迫的问题。传统的牙颌骨缺损修复材料主要包括自体骨、异基因骨、异种骨、脱钙骨基质、生物陶瓷和金属材料等，然而，除了骨量有限的自体骨外，其他材料均具有免疫排斥和生物活性低的缺点。相比之下，随着纳米科技的不断进步，纳米材料在重大疾病的诊疗、分子探针、3D 纳米结构的制备、药物缓控释制剂和靶向递送等方面更是显示出强大的应用前景。作为一种可应用的再生医学工具，纳米材料已被证明对成骨细胞和骨源性干细胞行为的多个方面具有调节作用，包括黏附、迁移、增殖、细胞信号传导、遗传表达和调控干细胞命运等。因此，在生物材料中引入纳米颗粒将引发定向细胞行为，同时赋予骨骼结构和机械优势，以诱导功能组织的形成。所以在口腔牙颌骨等骨组织的刺激再生的治疗中纳米材料的应用一直是一个新颖的策略。本文将对近年来许多骨缺损再生修复所应用的纳米材料相关研究论文进行总结，分别讨论三种纳米材料（纳米纤维、纳米粒子和智能纳米材料）在骨缺损修复再生中的研究进展与应用潜能，以及相应纳米材料在骨缺损修复再生中对细胞行为的调节机制。

1 用于骨缺损再生的纳米纤维材料

基于胶原纤维的排列存在两种骨骼结构：致密骨和海绵状骨。在致密的骨骼中，平行排列的胶原纤维由无机颗粒（特别是HA）组成以形成骨质，平均直径为100μm。能够模仿天然组织结构的纳米纤维以其高表面积与体积比，易于控制组件以及模仿基质属性的能力（包括相互连接的纳米孔和表面纳米形貌）而受到广泛关注。

1.1 静电纺丝纳米纤维材料

静电纺丝是用于制造组织工程的纳米纤维的最常见方法，其产生的纤维直径低至纳米级，类似于天然骨细胞外基质（extracellular matrix，ECM）的纤维结构。目前使用的主要材料有聚乳酸羟基乙酸共聚物[（poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA）]、聚乙醇酸（polyglycolide，PGA）、聚己内酯（polycaprolactone，PCL)、壳聚糖和胶原等。Li 等将纳米HA、明胶引入静电纺丝PLGA 纳米纤维中制成复合纳米纤维，表现出较好的骨诱导活性和生物相容性。由于单纯纳米纤维材料很难实现骨缺损良好的修复，因此，人们考虑通过支架材料与药物、基因和生物活性分子复合来更好地促进骨修复的效果。Cao 等制备了由PCL 电纺纤维制成的引导骨再生膜，该膜表现出优异的抗感染和免疫调节性能，通过调节免疫反应促进骨再生。因此，纳米纤维是可以应用于口腔骨再生的潜在材料。虽然静电纺丝纳米纤维在骨缺损再生领域具有独特的优势，但是由于这种纳米纤维孔隙率较小，导致其空隙内细胞的增殖受阻，所以无法作为细胞载体使用。因此，进一步研究如何增大纳米纤维的孔隙将极大拓展其应用范围。

1.2 纳米纤维（孔）支架材料

纳米纤维材料还可以设计为纤维支架，理想的纤维支架可以模拟ECM的三维结构，具有许多优点：①多孔结构用于支持细胞黏附、生长和迁移，以促进细胞支架相互作用；②足够的弹性和机械性能；③降解速度可控；④新骨形成均匀分布，避免骨坏死；⑤很小的体内炎症和毒性。Yadav 等制备了一种二硫化钼（molybdenum disulfide，MoS）纳米片，该纳米复合支架（HA/MoS）成功地促进了成骨细胞分化。与HA 相比，纳米复合支架表现出更高的细胞黏附力、细胞增殖和HA 活性。此外，通过相分离制造的支架具有特定的孔径和通道相互连通的多孔结构，以允许细胞融合和骨重塑阶段的血管形成。Sedghi 等基于将PCL 连接到壳聚糖上合成了一种具有高生物活性的新型复合纳米纤维，所制备的纳米纤维表现出更高的力学性能、抗菌活性和细胞附着力，且由于三唑环的引入而增强了体内骨矿化能力。在纳米纤维中添加额外的纳米成分以改善其性能也是可行的。例如，在纳米纤维支架上添加氧化石墨烯可以促进细胞黏附，成骨分化和骨再生。掺入3D 多孔支架中的生物活性纳米颗粒也增强了细胞黏附和成骨细胞生长。此外，包括聚多巴胺和多肽的生物活性分子也可用于纳米纤维支架。

纳米多孔支架是具有纳米尺寸孔径的材料，材料的孔隙率会影响细胞和血管的浸润，从而促进与环境组织的整合。Greiner 等使用硅氧化合物纳米颗粒热交联成纳米复合材料，以制造仿生纳米孔隙并诱导成骨分化。最近一些关于介导的骨再生的研究表明，纳米孔结构和孔径会影响巨噬细胞的细胞形状和运动，并随后调节自噬和成骨信号通路的表达和激活，对炎性反应、破骨和成骨具有重要作用。此外，材料的纳米孔可以通过类似于天然组织/基质结构来逃避宿主的炎症系统。例如，Velard等比较了几种具有不同纳米孔的HA 支架的炎症作用。HA 支架表现出最大的基质沉积，还促进了骨折部位最高性能的血管生成，因此，具有纳米孔的HA 支架可能是牙颌骨再生中免疫调节的理想材料。

2 用于骨缺损再生的纳米粒子

纳米颗粒可以影响骨再生不同的方式。例如，生物材料在植入后必须提供结构性支撑骨缺损部位。纳米颗粒可以作为一种良好的增强剂，以获得具有良好机械性能的纳米材料骨再生的特性和稳定性。其次，纳米颗粒可以被加入到材料中以获得具有可调节机械强度，可用于诱导干细胞采用扩展的形状有利于成骨分化，最后纳米颗粒本身可能具有促进成骨的能力用于骨再生。

2.1 基于骨缺损修复的纳米粒子递送系统

纳米医学的最新研究表明，工程纳米材料可以用作靶向运输的载体，用于递送各种药物和生物活性分子，这些药物和生物活性分子可以调节成骨细胞，破骨细胞和免疫调节细胞之间的交叉效应。关于靶向递送生物分子以调节骨免疫学的研究已经得到了广泛的研究。如Li 等制备的多功能二氧化钛纳米管实现了促成骨多肽和抗炎细胞因子白细胞介素（interleukin 4，IL）-4 的受控共递送，为骨再生形成创造了有利的微环境。因此，为递送细胞黏附基序和抗炎细胞因子量身定制的Ti 底物可以协同作用地创造有利的骨免疫微环境，以增强早期成骨。纳米级载体递送蛋白质可以对全身免疫反应产生积极影响，从而增强骨骼形成。Vantucci 等制备了负载骨形态发生蛋白2（bone morphogenetic protein 2，BMP-2）的肝素甲基丙烯酰胺微粒（heparin methyl acrylamide particles，HMP），HMP 递送载体具有适当剂量的BMP-2 刺激免疫效应细胞（如T 细胞）并增加了与骨再生相关的细胞因子的分泌。总之，已经提出了各种策略来调节炎症反应和增加成骨，例如细胞因子、蛋白质、核酸或免疫调节剂的递送。因此，合理选择具有纳米级载体的生物活性分子以实现牙颌骨缺损再生的成功治疗具有重要意义。

2.2 骨缺损修复中纳米粒子的设计

纳米材料在药物、生长因子和遗传物质的递送设计中主要考虑化学性质、柔韧性和孔隙率。利用纳米颗粒作为载体来传递生物活性分子已被证明是骨再生的有效策略。如Nah 等通过最初使用硫醇-PEG-维生素D 将维生素D 与金纳米颗粒（gold nanoparticles，GNP）结合，其中这种生物启发材料通过维生素D 和GNP 之间的硫醇基团很好地结合。将生物分子和药物掺入GNP 中可以用作制造功能性纳米材料以维持骨稳态的新策略。

添加纳米颗粒来制造纳米复合材料可以增强其机械稳定性、生物相容性和免疫调节活性。Makvandi 等合成了含有β-磷酸三钙、透明质酸和纳米银的可注射热敏水凝胶，促进了间充质干细胞的成骨分化，并对革兰阳性和革兰阴性细菌表现出优异的抗菌活性，这些载药纳米颗粒可以控制和靶向沉默促炎因子，具有巨大的骨免疫修饰潜力。

3 “智能”纳米材料

研究表明，将“智能”纳米材料（如磁性纳米颗粒）引入对磁场有反应的“智能”纳米材料到骨修复材料中可能是提高骨折材料性能的新方法。骨骼需要动态机械刺激来形成和维持功能性组织。然而，在口腔内骨损伤中，许多修复的治疗方法通常缺乏机械刺激。磁场可以通过影响电荷粒子的运动，膜系统的渗透性和生物大分子的磁矩取向来引起细胞生理和生化过程的变化。因此，磁性纳米粒子可以用作通过直接靶向细胞表面机械传感器和从外部磁场传递力来传递机械刺激的方法，从而产生可远程控制的机械转导。如Riegler 等报道了超顺磁性氧化铁纳米颗粒可用于人体间充质干细胞的体内标记和成像，它们的纳米颗粒不会对细胞活力、分化或分泌模式产生负面影响，但可以导致家兔模型中球囊血管成形术后细胞保留量增加6 倍。Henstock 等通过将磁性纳米颗粒连接到机械门控的TWIK 相关的K通道（TWIK—related Kchannel 1，TREK1）或人间充质干细胞的（整合素）精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸结合来功能化磁性纳米颗粒，发现通过纳米颗粒接受机械刺激的细胞比未标记的对照细胞能更广泛地矿化骨骺注射部位。纳米颗粒标记的细胞也被接种到胶原水凝胶中，以评估组织工程构建体中的成骨作用。上述研究发现，通过靶向TREK1 诱导机械逆行诱导导致矿化增加2.4 倍，基质密度显著增加。在此两种模型中，通过将机械刺激与聚合物微球中BMP-2 的持续释放相结合，观察到对矿化的显著加性效应。

综上所述，纳米颗粒介导的机械转导可以与药理学方法一起使用，可以最大限度地提高口腔缺损骨的修复再生。

4 纳米材料对细胞行为的调节机制

纳米材料在植入体内后对损伤骨的修复再生作用取决于它们的物理化学特性。纳米材料的表面化学、形貌、接枝分子、纳米结构形态、疏水性、降解性、生物相容性和组成性质均是需要考虑的关键参数，这里详细讨论了工程纳米材料通过调节免疫细胞、骨细胞、细胞因子和生长因子有效促进骨形成和骨愈合的潜在机制。

纳米材料的表面化学对免疫系统，特别是巨噬细胞有重大影响。通过采用亲水官能团、表面电荷和生物矿物质等实现纳米材料的表面修饰对于骨组织修复具有重要意义。研究表明，与疏水表面相比，纳米材料的亲水表面有助于减少巨噬细胞和异物巨细胞的形成，并增强植入物的骨整合。此外，亲水性表面通过增强抗炎因子IL-10 的分泌以及抑制IL-1β、IL-6 和IL-8 等促炎因子的分泌，可以显著促进巨噬细胞向愈合相关的交替激活巨噬细胞（alternatively activated macrophage，M2）极化。因此，亲水性纳米材料可以诱导有利的免疫微环境，以促进骨组织修复并加速骨折愈合。材料的表面电荷对骨细胞微环境也具有重要影响。与阳离子底物相比，阴离子底物有效地增加了成骨作用，因为阴离子表面可以抑制促炎细胞因子的产生并诱导有利的骨修复微环境，还通过巨噬细胞来源的细胞外囊泡影响巨噬细胞极化，从而招募宿主间充质干细胞（mesenchymal stem cells，MSC）并加速内源性骨再生。

综上所述，纳米材料可以通过控制免疫反应直接促进骨再生。除了表面化学性质外，纳米材料的物理性质，如形貌、粗糙度、孔隙度和孔径等也会影响骨形成和相关细胞功能。纳米材料的表面形貌可以通过改变细胞形状和弹性来调节细胞反应。巨噬细胞的功能、表型和极化可以通过材料形貌的改变来实现。纳米级的表面粗糙度也被证明可以通过调节免疫反应来影响成骨细胞的黏附、增殖和分化。此外，由于氧气或蛋白质等生物分子的渗透，骨植入物的孔隙率和孔径对于临床应用非常重要，这些生物分子也可以影响成骨和免疫调节。

纳米材料还可以模仿天然骨骼的分层结构，为营养、废物交换，细胞间通讯、细胞迁移、增殖和分化提供有利的微环境。在不同维度水平的纳米结构可以提供特定的环境线索来调节细胞行为并唤起相应的免疫反应，从而促进干细胞在骨形成早期的募集和成骨分化。值得注意的是，具有3D 宏观/微观/纳米尺度结构的材料可以模仿天然骨骼的分层结构，这种独特的骨样交错纳米接口可以促进内源性骨再生过程中的M2 型巨噬细胞极化、IL-4 分泌和宿主MSC 募集，通过诱导巨噬细胞极化进入M2表型，显著加速了骨折愈合。分层的纳米材料支架通过调节单核细胞激活p38 MAPK 信号传导，促进了骨髓基质细胞的募集和分化以及新生血管形成，从而创造了有利的骨修复微环境。

5 小结和展望

纳米材料的形貌、粒径、孔隙率，离子释放、结构效应和智能响应都可以影响口腔内骨组织再生的能力。尽管目前专注于基于纳米材料的疗法的研究已经取得了快速发展，但临床转化率仍然相对较低。未来纳米材料在临床口腔科骨缺损修复治疗中的推广将是关键挑战。使用具有精确微环境响应性的定制配体，基于细胞的纳米载体递送以及具有免疫调节作用的生物分子的协作递送的功能化是应对这些挑战的策略。为了开发理想的骨修复纳米材料，接下来的研究需要研究纳米材料如何调节骨动力学的潜在机制，并为骨再生创造有益的微环境。