牙周组织再生材料应用研究进展

王 畅，张 茜，刘 悦，梁 琛，曲星源，王 雷

(吉林大学口腔医院牙周科，吉林 长春 130021)

牙周炎是一种常见疾病，会引起牙周组织的破坏。组织工程学和引导组织再生技术是牙周组织再生的主要策略。组织工程学通过支架形成组织工程构建体从而实现组织再生；引导组织再生技术则是在根部表面放置屏障膜，防止上皮迁移到骨缺损处来实现组织再生。目前，组织工程支架材料和屏障膜的研究都取得了一定进展，尤其是复合材料能弥补单一材料存在的缺陷，性能更佳，能更好地促进牙周组织再生。为此，作者在简单介绍组织工程学和引导组织再生技术的基础上，详细对组织工程支架材料、引导组织再生屏障膜的应用研究进展进行综述，以期为高性能牙周组织再生材料的创新应用提供帮助。

1 牙周组织再生策略

1.1 组织工程学

种子细胞、支架材料和生物材料是组织工程学的3个基本要素。组织工程学是通过支架将种子细胞播种到生物材料基质上，形成“组织工程构建体”，待成熟后作为假体植入体内，继而发生再生过程，支架降解，新形成的组织就位。

在牙周组织再生中，支架起着关键作用[1]。支架材料包括天然有机聚合物、合成有机聚合物及无机聚合物。天然有机聚合物以壳聚糖、藻酸盐、胶原蛋白、明胶为代表，具有很高的生物相容性和抗菌潜力，可以识别细胞、促进细胞增殖和分化，但机械强度较低；合成有机聚合物是脂肪族聚醚，如聚己内酯、聚乳酸、聚乙醇酸及其共聚物等，在促进细胞黏附、迁移和增殖方面不及天然有机聚合物，但可以调节机械强度和降解速率以达到最佳性能；无机聚合物最常见的是生物玻璃。它们均具有特定的机械和物化特性，如生物相容性、生物可降解性、特定结构特征和骨诱导能力[2]。

1.2 引导组织再生技术

引导组织再生技术是通过在根部表面放置屏障膜实现的。屏障膜可以防止牙龈组织和牙根表面组织接触，阻止牙龈在骨腔中生长，将牙周组织细胞选择性地引导到牙根表面，实现牙周组织再生[3]。屏障膜应具有生物相容性和生物可降解性，不释放任何有毒副产物；具备合适的表面和多孔的三维结构，利于细胞附着、迁移、增殖、分化和浸润；能促进细胞生长和组织成熟；具有较高的机械强度。屏障膜分为不可吸收和可吸收两种，前者如醋酸纤维素滤膜、橡胶坝、经过特殊处理的膨化聚四氟乙烯和致密聚四氟乙烯，因其不可吸收性需二次手术才能去除，故具有高感染风险；后者可一次手术完成，在临床更具有吸引力[3]。

2 组织工程支架材料在牙周组织再生中的应用

2.1 生物玻璃

生物玻璃是一种坚硬、无定形且具有生物相容性的无机聚合物，主要成分是硅、钙、磷及钠的氧化物。在生物玻璃中掺入金属离子浸泡于流体中时，盐沉淀形成，与羟基磷灰石层发生复杂的离子交换，具有结合骨骼的能力，可促进细胞迁移和黏附，从而促进牙周组织再生。生物玻璃还可以调节基因表达并促进细胞分化，这是组织修复的重要步骤[4]。

将玻璃态无定形相与某些晶体混合，可获得高机械性能的复合材料，如由溶胶衍生的生物玻璃；也可以在室温下溶胶-凝胶反应时原位掺入生物相容性和可吸收性聚合物。此外，在溶胶-凝胶反应时加入表面活性剂，可以更好地控制离子与周围环境的交换，产生更有序的多孔结构，负载生物分子，使其持续释放[4]。

2.2 生物陶瓷

生物陶瓷具有无限的可用性、生物相容性、亲水性及骨传导性，可以促进未分化细胞向成骨细胞谱系分化，是骨骼重建、牙周组织再生的首选材料[5]。在牙周组织再生过程中，其化学成分、孔径、几何形状、表面微结构和比表面积均起重要作用[6]。

羟基磷灰石是最常见的生物陶瓷，可促进细胞黏附和增殖，但体内吸收速率缓慢。β-磷酸三钙是另一种生物陶瓷，诱导牙周组织细胞与生物材料之间形成牢固键，吸收速率较快[6]。羟基磷灰石和β-磷酸三钙按一定质量比混合得到的双相β-磷酸三钙可以控制自身生物活性、维持稳定性，即使在较大牙周缺损时也可以诱导牙周组织再生。通过凝胶浇铸和聚合物海绵法，可以得到质量比为40∶60的双相β-磷酸三钙，它是一种多孔陶瓷，具有更合理的孔径、孔壁厚度和孔隙率，从而控制其降解性[5]。

2.3 壳聚糖

壳聚糖是天然的碱性聚合物，无毒，具有生物相容性和生物可降解性，是药物递送系统的理想载体。壳聚糖有纤维、水凝胶、薄膜等形式，能够在牙周组织工程治疗中用作二维或三维支架。壳聚糖本身不具有骨诱导性或骨传导性，须与其它分子(生长因子、牙齿间充质干细胞或羟基磷灰石)结合才能促进牙周组织再生[7]。

2.4 聚乳酸及聚乳酸-聚乙醇酸共聚物

聚乳酸被广泛用于牙周组织再生。但是酸性环境影响牙龈缝隙的形成与功能，而聚乳酸的酸性降解产物使pH值降低，导致牙周组织炎症加重[8]。基于聚乳酸的亲水性差，将壳聚糖掺入聚乳酸支架中，可改善其亲水性，减少产酸，调节降解速率。

聚乳酸-聚乙醇酸共聚物具有生物相容性、高机械性能、加工易成形、可生物降解等特性，可制成3D支架用于组织工程和药物递送系统。聚乙醇酸具有更多的晶体结构和更优的亲水性，聚乳酸/聚乙醇酸分子比是决定聚乳酸-聚乙醇酸共聚物生物降解速率的主要参数之一，含75%聚乳酸的共聚物较含50%聚乳酸的共聚物具有更明显的无定形结构、更低的亲水性和更低的降解率。此外，聚乙醇酸的机械性能较聚乳酸的强，增加聚乙醇酸的占比可提高聚乳酸-聚乙醇酸共聚物的机械性能和物理特性[9]。

2.5 聚ε-己内酯

聚ε-己内酯具有生物相容性和生物可降解性，熔点低，弹性大，延展性好，断裂伸长率高，机械刚度较差但易于加工，特别是处于玻璃化转变温度(-60 ℃)时。聚ε-己内酯还具有疏水性，由于脂族酯主链的水解作用，其生物降解速率较其它聚酯材料慢，有利于稳定牙周和缺损部位组织成熟期间的微环境[9]。

2.6 氧化石墨烯

氧化石墨烯是纳米碳族的一个成员，通过石墨的氧化和剥离而得。氧化石墨烯具有亲水性，表面氧官能团丰富且分散性好，可通过共价键吸引活性物质和试剂，具有细胞相容性并促进干细胞增殖分化[10]。氧化石墨烯可以与丝纤蛋白结合，氧化石墨烯-涂覆钛种植体和氧化石墨烯-涂布胶原膜可以促进细胞增殖成骨。氧化石墨烯具有细胞毒性，能够进入细胞质和细胞核，诱导细胞膜损伤和凋亡[11]，不利于其应用。氧化石墨烯的细胞毒性主要取决于剂量和作用时间。

2.7 介孔材料

介孔材料是一种孔径为2～50 nm的纳米材料，孔隙率高，比表面积大，可以负载更多的生长因子并改善生物活性和细胞附着。研究[12]表明，纳米羟基磷灰石的磷酸酶活性高于微米羟基磷灰石，利于干细胞增殖分化。纳米羟基磷灰石/壳聚糖复合支架已被用于骨骼与牙周组织再生。

2.8 静电纺丝材料

支架材料通常分为天然材料、合成材料和复合材料，通过静电纺丝技术可以得到各类纤维材料。对于天然材料，如胶原通过静电纺丝技术进行交联可使支架材料稳定；明胶可以形成用于生物活性封装和控制释放的纳米纤维；壳聚糖用甘油预处理后可防止收缩，变得柔软，易于制备静电纺丝材料；丝素蛋白静电纺丝材料可用于牙周药物输送。对于合成材料，聚ε-己内酯静电纺丝材料可维持结构稳定，在伤口愈合过程中减少纤维化；聚乳酸静电纺丝材料可以诱导牙周膜细胞促炎性介质的表达；聚乙醇酸降解速度比聚乳酸快，尤其是聚乙醇酸静电纺丝材料；聚氨酯静电纺丝材料可用于药物输送，持续释放抗生素；聚丁二酸丁二酯静电纺丝材料具有出色的加工性能。对于复合材料，则是添加另一种物质来改变静电纺丝材料溶液的成分和性能，如聚环氧乙烷是必不可少的助纺剂，可提高溶液的黏度，赋予材料良好的机械性能[13]。

研究[14]表明，通过静电纺丝技术将小分子二甲基草酰甘氨酸和无机纳米材料纳米硅酸盐掺入聚乳酸-聚乙醇酸纤维中，可开发出一种用于牙周组织再生的双功能结构纤维膜。纳米硅酸盐使纤维膜具有更好的拉伸强度和良好的生物相容性，有利于细胞黏附和生长，促进成骨和血管生成分化；植入缺损牙周后，纤维膜通过募集基质细胞，促进血管生成与骨重塑，最终形成功能性牙骨质-牙周膜韧带，修复缺损牙周。

基于每种生物材料的特性和局限性，将不同的生物材料结合，可以通过协同作用提高支架材料的机械性能、生物相容性和生物可降解性。如将生物陶瓷与聚醚结合，可以降低其脆性和成型难度[6]；将生物陶瓷与聚合物基质结合，可以提高其机械性能[15]；将纳米羟基磷灰石与壳聚糖结合，可显著提高生物相容性和机械强度，调节降解率；将二甲基草酰甘氨酸与纳米硅酸盐结合，可达到最佳的促进牙周组织再生效果，是牙周组织再生的前瞻性策略，小分子和纳米材料的良好稳定性决定了小剂量和低成本，有利于批量生产。为再生医学提供了新希望。

3 引导组织再生屏障膜在牙周组织再生中的应用

3.1 双层膜

掺入硼的生物玻璃可促进生长因子和细胞外基质释放，提高生物可降解性和生物活性。研究[16]表明，由醋酸纤维素无孔层和醋酸纤维素/明胶多孔纤维层组成的非对称双层膜可同时用于屏障和再生；掺入7%硼后，双层膜的性能更佳，亲水性、生物活性、生物可降解性和骨诱导性均得到改善，并且强度降低；双层膜的透水性和亲水性可能与孔隙率有关；增加双层膜中生物玻璃的含量，会导致接触角减小，可能是表面粗糙度增加及Si-O-Si形成所致，适合细胞黏附的最佳接触角范围为55°～75°。这是首次开发的由醋酸纤维素溶剂流延膜层和静电纺丝技术制备的双层膜。在生物玻璃中掺入硼和非对称膜的设计可促进干细胞附着、迁移和成骨细胞分化。

3.2 三明治支架屏障膜

聚己内酯具有较高的机械性能和生物相容性，其降解和吸收缓慢，疏水性和结晶性较好；明胶具有成本低、生物活性高的优点，但是机械性能差，降解过快。二者结合的聚己内酯/明胶复合支架具有优良的降解速率、亲水性和机械性能，通过改变聚己内酯和明胶的比例可以调节复合支架的理化性质。壳聚糖具有宿主免疫排斥最小、生物相容性和生物可降解性好、抗菌等特点，还能增强细胞黏附，促进细胞分化。研究[17]表明，用壳聚糖将两层聚己内酯/明胶纳米纤维牢固地粘合在一起，制作成类似三明治结构的多功能复合支架，进而改良为屏障膜，通过调节聚己内酯和明胶的比例，三明治状复合支架表现出良好的生物活性，可以防止细胞浸润。由于壳聚糖的止血性能和多孔结构，三明治状复合支架具有很强的凝血能力，可用作临床生物材料，并且有望用于牙周组织再生。

3.3 3D打印屏障膜

用于软组织再生的水凝胶是可固化的聚合物，可制成机械固体支架，水凝胶和固化状态都可以与细胞结合。将明胶、弹性蛋白和透明质酸钠混合在一起，通过3D打印得到屏障膜，用于引导组织再生，可以促进细胞黏附、维持稳定性和弹性、参与细胞信号转导。3D打印屏障膜一侧有小孔，另一侧有大孔，可容纳不同的成骨细胞、成纤维细胞和角质形成细胞群，易于手术操作[18]。

3.4 功能化屏障膜

研究[19]表明，具有可调仿生特性的肽分子给屏障膜生物功能化为内源性祖细胞归巢和分化提供了可能性；产生了可在紫外线下聚合的含自组装赖氨酸的聚二乙炔，促进牙周细胞黏附和分化，提高细胞活性与附着力。这种功能化技术使屏障膜一端聚集并引导祖细胞，另一端发挥屏障的功能。静电纺丝屏障膜有助于容纳祖细胞，并促进其分化成再生的相应谱系。将肽附加到可聚合的聚二乙炔上有助于产生用于药物治疗和宿主免疫调节的生物分子。

4 结语

组织工程学和引导组织再生技术已被广泛应用于牙周组织再生。然而，目前对于牙周组织再生材料的种类、性能与效果的研究还远远不够，今后应致力于开发性能更好、效果更佳的材料，加强材料合成技术的研究，为牙周组织再生提供帮助。