可吸收生物膜在牙周引导组织再生术中的研究进展

张 岚，吴燕岷

慢性牙周炎是发生在牙齿周围支持组织的一种慢性炎症性病变，以牙龈炎症、牙周袋形成、牙槽骨吸收、牙齿松动移位为主要表现。牙周治疗的基本目的是防止牙周组织进一步破坏并修复或再生已破坏组织[1]。近年来，通过翻瓣清创并使用屏障膜和移植材料实现牙周组织重建的引导组织再生(guided tissue regeneration，GTR)技术在临床上得到广泛应用[1-2]。作为牙周再生手术的关键环节，屏障膜的使用一直以来备受关注，目前临床上常用的屏障膜种类繁多，其材料也不断发展更新。本文旨在讨论可吸收生物膜在牙周引导组织再生术中的研究与应用进展，为临床应用和材料学研究提供依据。

1 可吸收生物膜的特性

GTR术中屏障膜的选择需要考虑很多因素：生物安全性；组织整合性；细胞阻隔作用；空间维持能力；可降解性及临床可操作性等[2]。

在生物学特性方面，影响可吸收生物膜的安全性和有效性的主要因素是降解率及降解终产物。生物膜的降解会产生可能引起异物反应的颗粒或碎片，这导致不同膜材料在生物相容性及成骨作用上存在差异[3]。因此，要使膜在足够的愈合时间内保持其功能特性尤为重要。目前，最常用的可吸收膜由胶原蛋白、聚乙交酯、聚丙交酯以及它们的共聚物制成。大多数屏障膜降解或暴露于口腔环境时不能独立维持缺陷空间，因此屏障膜往往需要结合自体骨或合成骨移植替代材料使用[4]。

在结构性能上，理想的屏障膜应有足够的强度承受上覆软组织的压力以防组织塌陷，以及一定程度的可塑性以便于形成并维持足够的空间，恢复缺损组织的形状[4]。Sheikh等[3]认为，合适的孔径大小能阻挡软组织生长并有利于氧气、营养物质和生物活性因子等扩散。一些单层生物膜具有半透性的多孔三维结构；双层膜一般有两层不同结构，外层孔径较大以促进上覆软组织的整合，内层的小孔径能阻挡软组织细胞进入而允许干细胞和营养物质通过，双层结构之间则存在一定的间隙以利于组织整合[5]。

2 可吸收生物膜的分类及在牙周引导性组织再生术中的应用

可吸收生物膜根据材料来源大致可分为来源于人体、动物等组织的天然生物活性材料以及合成聚酯类聚合物等。

2.1 天然基质衍生聚合物

天然基质衍生的聚合物具有维持细胞结构、诱导组织再生和自然酶解能力等优势。常见的天然聚合物可吸收膜有胶原蛋白、脱细胞真皮基质、壳聚糖等。

2.1.1 胶原蛋白 胶原膜一般来源于猪或牛组织，主要成分为Ⅰ型或Ⅲ型胶原。胶原蛋白具有良好的生物相容性、低免疫原性、优越的渗透性以及生物可降解性，可以调节细胞形态，并促进细胞间粘附、细胞迁移和分化能力[6]。胶原膜通过内源性胶原酶转化为二氧化碳和水来实现生物降解[7]。多项研究表明，胶原具有促进成纤维细胞DNA合成的特性，与聚四氟乙烯(poly tetra fluoroethylene, PTFE)膜相比，胶原膜表面更易吸引成骨细胞粘附并刺激细胞增殖，但胶原膜存在机械性能差，体内降解速率快等缺点，容易引起术区塌陷、空间维持不足和膜暴露[7-8]。目前研究多采用物理处理或化学修饰的方法实现胶原分子间交联，胶原纤维的交联程度直接影响降解速率，且两者呈反比关系[9]。据Jiménez等[10]报道，胶原膜的术后暴露概率为22%～32%，而交联膜较非交联膜呈现更高的术后并发症(膜暴露、炎症、感染等)风险，可能与前者在口腔环境中维持时间较长相关。暴露于口腔环境的胶原蛋白水解1周左右失去其完整性而导致移植材料感染或丢失，因此使用胶原膜时应尤其注意创口的初期封闭性。

2.1.2 脱细胞真皮基质 脱细胞真皮基质 (acellular dermal matrix，ADM)是指脱去供体组织中细胞成分，仅保留框架结构的细胞外基质，主要来源于异体或异种皮肤。由于模拟了正常细胞的生长环境，在软组织缺损修复中，ADM可诱导周围细胞迁移，促进局部血管再生以形成新附着[11]。研究者发现脱细胞基质膜能形成有利于间充质干细胞快速募集的微环境，促进缺损部位两种重要细胞募集因子CXC趋化因子受体4型(C-X-C chemokine receptor type 4, CXCR4)和单核细胞趋化蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1, MCP-1)的聚集[12]。其中CXCR4以基质细胞衍生因子-1(stromal cell-derived factor 1, SDF-1)/ CXCR4轴的形式作用，引导间充质干细胞归巢到损伤部位，而MCP-1被认为是骨重建过程中破骨细胞前体的主要趋化因子，这些因子在受损组织的过表达均能正向刺激骨重建过程[13-14]。Momen-Heravi等将ADM及异种骨移植材料用于种植体周围骨开裂的修复，临床和影像学结果均发现修复效果达95%以上，组织学切片也观察到缺陷周围有新骨形成[15]。此外，有研究发现ADM不仅能将薄生物型牙龈转化为厚生物型，而且能有效阻止上皮角化，有利于龈缘的稳定[11,15]。因此，ADM在临床上较多应用于牙龈退缩或软组织增量。

2.1.3 壳聚糖 壳聚糖(chitosan)因其良好的渗透性、抑菌性以及促凝血和伤口愈合特性近年被广泛应用于骨组织工程学[16]。Costa等通过体外研究发现，壳聚糖能够干扰变形链球菌的粘附和牙周菌斑生物膜的形成，不同分子量的壳聚糖对革兰阳性和阴性细菌均有抑制作用[17]。壳聚糖多糖链上的游离氨基在环境pH值低于6时呈阳离子性质，可与其他阴离子结合从而生成聚电解质水凝胶，根据此性能可将壳聚糖应用于药物或生长因子控释系统[18]。同时壳聚糖还能与带负电荷的DNA组合，参与组建安全基因载体系统[19]。壳聚糖膜的降解速率取决于其分子量和制备方法，体内实验发现将壳聚糖膜植入大鼠皮下能维持其屏障功能达6周[20]。传统工艺制备的壳聚糖机械性能欠佳，近年来将壳聚糖与刚性和强度更高的羟基磷灰石、磷酸三钙等结合，或利用静电纺丝等技术制备成的生物功能性复合支架，在牙周组织再生中被广泛应用[21]。

2.2 人工合成高分子聚合物

临床上用于GTR的人工合成可吸收膜材料主要有聚乳酸、聚乙二醇及其共聚物等，它们具有优良的机械性能，临床操作性较强。

2.2.1 聚乳酸 1988年，Magnusson等首次将聚乳酸(polylactide，PLA)生物膜应用于牙周再生，发现PLA膜对上皮细胞具有隔挡作用，并明显促进结缔组织附着[22]。然而PLA膜的硬度较高，术后容易出现膜暴露[23]。Eskan团队通过观察PLA膜在GTR术后1周内暴露对手术效果的影响，发现暴露在口腔环境的屏障膜在6～7周内可被降解或被软组织覆盖而未出现进一步的并发症，并仍可以获得理想的骨增量[24]。单纯的PLA降解较慢，完全降解为1～2年，通常加入其他聚合物以改善其降解速率[25]。Ramot等认为PLA在体内主要由多形核(polymorphonuclear，PMN)细胞中的蛋白水解酶分解成乳酸后通过肾脏排出，然而PMN细胞作为炎症反应的关键成员，其分解过程通常产生有害的氧化物，这可能导致组织整合的失败[26]。

2.2.2 聚乙二醇 聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)是一种可降解的生物相容性良好的聚合物。Wechsler等研究表明，PEG植入体内可维持长达4个月的屏障功能，并在7个月后完全降解[27]。一些临床前研究发现，PEG膜对于侧嵴缺陷的牙槽嵴骨增量具有明显优势[28]。Jung等研究者将PEG膜和胶原膜用于种植体周围骨缺损再生，发现PEG膜组获得更多骨增量，且能根据缺损部位修整膜的形状，简化临床操作，但该研究中PEG膜术后暴露率(约50%)远高于胶原膜(12%)[29]。近年来PEG更常被用作水凝胶等骨替代材料的基质，或与其他聚合物共混形成新型生物屏障膜[30]。

2.3 不同聚合物复合生物膜

早期的单一成分生物膜在降解速度、机械性能等方面有很大不足，近年大多数可吸收生物膜以多种聚合物混合形成，以同时满足牙周GTR术的多种需求。

2.3.1 天然聚合物混合 Hunter等采用冻干法制备出一种羟基磷灰石/壳聚糖/明胶复合膜，发现其纳米孔结构明显增强血清蛋白的吸附，且三种材料之间通过化学结合大大增强了材料的机械性能，将人骨髓间充质干细胞接种于复合膜后细胞增殖及成骨分化能力显著提高。此外，该研究认为血清和/或细胞分泌物中的蛋白可形成牢固的网状结构，将复合膜于血清中预处理能显著增强其蛋白吸附和细胞增殖能力，相较新鲜制备的膜具有更佳的屏障和引导组织再生作用[31]。

2.3.2 合成聚合物混合 PLA与其他聚合物如聚乙醇酸、聚己内酯(polycaprolactone, PCL)混合或交联而成的生物膜机械性能和降解时间取决于各聚合物的比例和交联程度，临床上可根据实际需求选择不同生物膜[29]。聚乳酸-羟基乙酸共聚物(poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA)是由乳酸和羟基乙酸聚合而成的可降解材料，其降解速率取决于两者比例，一般体内降解时间为1～2个月[30]。纯的PLGA亲水性和生物活性欠佳，为了克服这些缺点，可将PLGA与PCL等共混成为新型复合材料[32-33]。

2.3.3 天然/合成聚合物混合 天然聚合物与合成聚合物混合可以结合两者的优点，如PCL/明胶共混物同时具备良好机械性能及促进细胞粘附的能力[34]。He等利用电纺技术制成壳聚糖/PCL复合膜并与鼠骨髓间充质干细胞体外共培养，发现复合膜与均聚物PCL膜相比成骨诱导能力显著提高，从而表明该复合膜具有更大的临床应用潜力[35]。据Spinell等报道，将胶原与其他物质如甲醛、戊二醛、多糖等交联后可以减缓屏障膜在体内的降解速度，但这些物质存在一定细胞毒性，可能会抑制组织再生过程中干细胞的活性[36]。

2.4 改良型复合生物膜

单纯的GTR膜仅能起到机械性屏障作用，近来将GTR膜与抗菌材料或生长因子等联合应用，以提高生物膜的抗感染或主动诱导组织再生能力，这种改良型的复合生物膜具有重要的临床意义。

2.4.1 抗菌型可吸收生物膜 研究发现细菌感染最常发生在材料被植入组织缺损部位的第1周内，这一阶段使用抗生素可大量消除入侵的细菌[30]。临床上往往在GTR术后1周通过全身应用抗生素来防止伤口感染，但其结果仍存在不可预测性，且全身用药易引起菌株耐药性。目前已证明将一些抗生素制剂与GTR材料结合能通过抑制胶原酶、基质金属蛋白酶等释放阻止其对牙周组织的破坏，并促进成纤维细胞附着于根面，从而加速胶原蛋白分泌及骨形成[37]。抗菌生物膜通过微结构阻止微生物与膜表面结合来防止细菌积聚，如PEG、超疏水结构涂层、生物膜基质降解酶涂层等；或通过负载并释放药物达到抑菌目的，如释银离子涂层、二氧化钛光活性涂层、氯己定、万古霉素负载的聚合膜等[38-39]。随着新型抗菌基质的发展，纳米和微米技术开始应用于抗菌膜的制备，负载抗菌药物的纳米颗粒可以渗透到生物膜中并避免药物的过快降解[40]。

2.4.2 负载生长因子型可吸收生物膜 牙周再生的成功取决于支架材料与生长因子、细胞和血液供应等关键因素。生长因子在牙周组织愈合和修复过程中控制细胞外基质蛋白的合成和降解，促进细胞增殖以及血管的生成、趋化。常用于GTR术的生物活性分子有牙釉质基质衍生物(enamel matrix derivative，EMD)，骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein，BMPs)及血小板衍生生长因子(platelet derived growth factor，PDGF)等[6]。EMD是从幼猪发育中的牙齿釉质层中提取的釉原蛋白，可以刺激牙骨质沉积和牙周再生。Miron等[41]发现体外将EMD与胶原膜组合后能显著增加骨缺损部位成骨细胞的附着、分化和矿化。Sun等将重组骨形态发生蛋白(recombinant human bone morphogenetic protein 2，rhBMP-2)负载于脱细胞胶原海绵后用于拔牙后位点保存术，发现手术位点颊侧骨缺损可获得显著骨增量，在后期种植术中rhBMP-2组的有效骨量约达到对照组的两倍，且骨增量随rhBMP-2的剂量增加而增加[42]。

3 进展与展望

可吸收生物膜的口腔临床应用已有30余年，主要应用于牙周或骨组织再生术中，膜的材料和性能不断被探索和改良。作为牙周再生的关键环节，可吸收生物膜仍有很多进步空间。大量体外和体内研究已经为抗微生物膜或负载生长因子膜的应用提供了证据，但其对干细胞的作用机制尚需进一步明确，对抗菌物质、生物活性因子或细胞的控释技术也是基础和临床研究的热点之一。干细胞基础疗法、基因疗法等已成为牙周再生的新兴技术，在未来，可以开发载有干细胞的三维复合生物支架，并利用3D打印技术精确定制缺损部位的确切形状，从而有效促进软组织和硬组织缺损的修复。此外，合成聚合物作为一种局部载体也成为基因治疗中的热点，可以利用治疗水平的编码蛋白减轻病损部位的免疫反应和材料潜在的不良反应。