壳聚糖复合材料修复口腔颌面组织缺损的研究进展*

刘子琦 张 斌

壳聚糖（CS）作为天然多糖甲壳素脱除部分乙酰基的产物，主要分布于许多海洋低等动物特别是节肢动物如虾、蟹、昆虫等外壳，也存在于低等植物如菌藻类和真菌的细胞壁中［1］。其常作为药物和生长因子的载体，用以修复口腔颌面骨组织及神经组织缺损。壳聚糖还具有较高金属结合性能，可作为涂层结合于金属钛表面，在牙齿种植领域具有较大应用潜力。本文结合壳聚糖的新近文献，对其相关的作用机制及应用效果做一综述，并展望以壳聚糖为主要成分的复合材料在修复口腔颌面组织缺损领域的应用前景。

1.骨组织的修复

口腔颌面部感染、复杂骨折等因素均可造成颌骨缺损。目前，缺损区骨组织重建主要依靠骨移植，其黄金标准是自体骨移植［2］。但可供移植骨的部位有限，且会造成原来健康部位的损伤，这些因素都限制了自体骨移植的应用［3］。而免疫反应又限制了异体骨移植的应用。因此临床上对优良生物性能的骨修复材料有着迫切的需求。壳聚糖结构中的N-乙酰基葡萄糖胺存在于细胞外基质中的糖胺聚糖中，其结构类似于糖胺聚糖，能促进成骨细胞的粘附、生长、增殖和分化［4］。但纯壳聚糖支架脆性大、韧性差，所以将壳聚糖与其他材料联合制作成复合支架是修复骨缺损的理想选择［5］。

近年来，为了模仿天然骨骼的机械特性和生物学特性，研究人员已经开发了各种基于壳聚糖的有机-无机复合材料用于骨组织修复。Zeng等［6］通过冷冻干燥和化学交联法制备了不同组成比例的丝素蛋白（SF)/壳聚糖复合材料。SF和CS均无毒且具有良好的生物相容性，经实验室验证，40%SF-60%CS的复合支架可能是一种良好的骨组织工程材料，其降解速度稳定、有利于细胞黏附，还可促使进成骨细胞分泌胞外基质［6］。石墨烯、氧化石墨烯［7,8］和碳纳米管［9,10］等碳基材料与壳聚糖结合，应用于骨组织工程。这些材料的优异力学性能可增强支架强度。Aidun等制备了电纺壳聚糖-聚己内酯-胶原三元氧化石墨烯复合支架。体外实验表明，随着氧化石墨烯含量的增加，支架的亲水性、生物活性以及细胞的附着和增殖能力也相应增加。

受天然生物的生物矿物成分的启发，与壳聚糖形成复合材料的无机成分通常是天然生物矿物，最常见的是羟基磷灰石［11］。对于壳聚糖-羟基磷灰石复合支架的研究一度较为广泛［8］。而在壳聚糖-羟基磷灰石复合支架的基础上再混入其他物质，是近年来的研究趋势。Jolly等将具有生物活性的海枣籽与壳聚糖-羟基磷灰石复合支架整合，形成纳米复合支架，在体内外实验中证实其生物相容性和机械性能均显著提高［12］。在大鼠颅骨缺损的模型中，植入此支架的骨缺损部位早期就有明显的骨形成。Wu等［13］将负载阿仑膦酸钠（AL）的壳聚糖/羟基磷灰石微球加入聚乳酸/纳米羟基磷灰石基质中，制备成新型微球-支架杂化系统。采用放射学和组织学方法评价了兔桡骨大段缺损的体内骨修复效果，含10%微球的支架在8周内完成了骨缺损修复，与对照组相比效果更佳。Wang等［14］采用冷冻干燥法制备了载锌碳纳米管/壳聚糖复合生物材料。在修复大鼠颅骨缺损的实验中取得了良好效果。含锌复合生物材料具有良好的力学性能和骨诱导性能力。1%锌碳纳米管/壳聚糖对大鼠颅骨缺损的成骨效果最佳［14］。

动物实验方面，Tong等［15］制备了兔下颌骨缺损模型，将转化生长因子-β1-丝素蛋白-壳聚糖复合支架植入兔下颌骨内，组织学和显微放射学观察结果表明，转化生长因子-β1-丝素蛋白-壳聚糖复合支架与宿主骨具有良好的生物相容性和广泛的骨传导性。李晓静等［16］采用真空冷冻干燥技术将壳聚糖和胶原按不同比例混合，将制成的膜材料覆盖于犬下颌骨的颊侧裂隙状缺损模型处, 以观察其引导骨修复再生效果。在8和12周，应用该膜的动物模型新生骨高度显著高于空白对照组，但该膜的强度和屏障功能需进一步研究以改善。临床试验方面，Gupta等［17］对27例无症状的下颌对称第三磨牙同时拔除，将壳聚糖敷料放入一侧的拔牙创内作为实验组。术后以X线评价拔牙窝的骨密度。结果显示，术后2周和术后3个月实验组拔牙创骨密度绝大多高于对照组，这说明壳聚糖可促进拔牙创的愈合和早期成骨。

2.神经组织的修复

目前面神经损伤的修复方法可分为两大类，即显微外科技术和神经导管技术［18］。但手术创伤及并发症、供受区神经匹配及功能恢复不足限制了显微外科技术的应用。由于壳聚糖具有良好的生物相容性、生物降解性、易获得性和抗菌活性，已被广泛应用于周围神经修复。壳聚糖能够支持轴突再生［19］，减少广泛瘢痕形成，促进功能恢复［20］，防止周围神经损伤后神经瘤的形成［21］，这表明壳聚糖在神经重建手术中的应用潜力。

Wang等［22］在2006年通过工业编织工艺，将壳聚糖纤维纱线首次用于制造多孔的中空管，作为支架的外壁。体外表征显示，该支架具有合适的机械强度、多孔性、膨胀性和生物降解性，可用于神经组织工程。但单纯壳聚糖支架脆性大，韧性差，交联法为壳聚糖在周围神经再生领域的成功应用提供了足够的力学性能。Cheng等［23］制备了一系列含不同组分明胶的壳聚糖-明胶复合膜，力学实验表明，湿润状态下的复合膜比单纯壳聚糖膜具有更低的杨氏模量和更高的拉伸断裂率。所有复合膜均为亲水材料。该方法的主要优点是制备简单、成本低、机械性能和神经细胞亲和力都有一定改善。Fregnan等［24］采用溶剂浇铸技术将磷酸二钠（DSP）与壳聚糖（CS）交联制成CS/DSP神经支架，通过体内实验证明交联生物膜促进大鼠背根神经节细胞的黏附，诱导施万细胞样形态，支持神经突起的生长。其效果接近神经自体移植。

壳聚糖的乙酰化程度也被证明是一个相关的因素，乙酰化程度影响着再生支持细胞（例如施万细胞）的存活、增殖和细胞活性［25］。Carvalho等［25］制备了三种不同乙酰化程度的壳聚糖膜，研究证实与乙酰化程度为1%和2%的膜相比，乙酰化程度为5%的膜硬度变弱、弹性增强。这不仅表明施万细胞与成纤维细胞相比在这种基质上黏附性更好，也阐明了高乙酰化壳聚糖生物膜的效果明显更好。此外，不同成分的水凝胶，如透明质酸水凝胶［26］、纤维蛋白纳米纤维水凝胶［27］或辛伐他汀/Pluronic F-127水凝胶［28］经常被用来与壳聚糖管结合使用。应用这些水凝胶作为壳聚糖管的内填充材料，可以促进轴突再生和运动功能恢复。结果表明，壳聚糖与不同成分水凝胶的复合材料具有较好的神经细胞亲和力，是一种很有前途的神经再生生物材料。可注射壳聚糖基热敏水凝胶，具有植入过程中侵入性小、便于细胞的包封［29］和温和的反应条件［30］等多种优点。通过注射法，水凝胶能够准确地填充任何不规则缺陷［31］。Zhang等［31］以壳聚糖、羟乙基纤维素、胶原蛋白和β-磷酸甘油酸为主要原料，制备了一种热敏复合水凝胶，承载骨髓间充质干细胞，用以修复小鼠脊髓神经损伤。包裹在复合水凝胶中的骨髓间充质干细胞在5天后的存活达到90%以上。

在动物实验方面，Liu等［32］将兔的腮腺浅叶完全切除，以壳聚糖和透明质酸覆盖面神经断端。在术后4周、6周和12周后通过触须运动试验、神经电生理检查和神经外检查等手段评估面神经恢复情况。发现虽然实验组的神经纤维较多，髓鞘较厚，神经传导速度较快。但差异无显着性（P＞0.05)。这说明壳聚糖改性的必要性。壳聚糖-β-甘油磷酸酯-神经生长因子水凝胶［33］和壳聚糖联合自体富血小板血浆神经导管［34］在兔面神经损伤模型中均有更出色的表现，触须运动恢复率和面神经复合肌肉动作电位与自体移植修复组相近，明显优于单纯神经生长因子组。

3.牙体组织的修复

壳聚糖因其出色的抗菌性能，在修复牙体缺损、牙列缺损等方面表现突出。牙体种植作为目前较理想的牙列缺损的修复方式已被越来越广泛的应用。骨结合是衡量种植成功与否的重要标志。然而，种植体金属的表面惰性使其不能与周围骨组织发生良好的骨结合。同时，细菌的粘附往往会引起种植体周围炎导致修复失败。壳聚糖良好的生物相容性，可降解性，无毒性及抗菌活性使其常作为金属表面涂层应用于牙体种植领域。此外，近年来壳聚糖还被应用于义齿粘接剂、盖髓剂等领域。丰富了壳聚糖修复口腔颌面组织缺损的范围。

Cai等［35］和Ordikhani等［36］分别制备了四环素-壳聚糖明胶纳米球涂层和古霉素-壳聚糖复合物涂层，并应用电泳沉积法（EPD）将制备的复合材料沉积到钛金属表面。他们均发现涂层中药物的释放曲线早期出现突释，之后能维持稳定，且能有效的杀灭周围细菌。极化电化学腐蚀研究表明，涂有药物涂层的钛金属的腐蚀电流密度明显低于未涂覆涂层的对照组。Dicarlo等［37］通过电化学技术在钛上制备了镓改性的壳聚糖-聚丙烯酸涂层。并通过电化学沉积时间调整双层中的镓负载，以确定抗菌活性和细胞相容性之间的最佳平衡。壳聚糖充当镓金属抗菌剂的载体，聚丙烯酸促进涂层粘附，二者相辅相成。Chen等［38］采用逐层自组装技术将壳聚糖-儿茶酚、凝胶及羟基磷灰石纳米纤维沉积在钛金属种植体表面。体内实验结果表明，该复合涂层可诱导微环境变化从而促进间充质干细胞的黏附和增殖，促进骨愈合过程中成骨和血管生成。另外还有硅烷偶联剂化学改性法、物理吸附法、等离子喷涂法等。但这些涂层方法存在制备方法复杂、制备成本高、涂层易剥脱、生物分子释放量难以控制等弊端。

实验室证实，高分子水溶性壳聚糖生物相容性好，可以抑制白色念珠菌的黏附，有望成为抗真菌义齿的粘合剂［39］。加入三氯沙改性后的壳聚糖粘接剂除了具有长期的抗菌活性外，还能促进牙本质-粘接面稳定，对边缘封闭有积极影响［40］。此外，壳聚糖基水凝胶最近被用于牙髓再生，它们可以促进牙髓干细胞和骨髓间充质干细胞在体内外的增殖、迁移和成牙本质分化。壳聚糖有望成为新一代适合临床应用的盖髓剂［41-43］。

4.展望

壳聚糖是自然界仅次于纤维素的第二大丰富的生物聚合物，分布十分广泛。因其良好的生物降解性、生物相容性、无毒性、抑菌作用，被广泛应用于口腔颌面组织缺损的修复中。早期，学者将无机物通过简单的机械方式（如超声分散）混合到壳聚糖中，然而，由于有机基质和无机物之间缺乏分子间相互作用，用这种方法制备的复合材料是非均质的。近年来，仿生技术使用有机分子（蛋白质、多肽、胶原、聚合物等）作为模板，通过模拟生物自然过程，有效地调节无机物的晶体生长、相变和颗粒组装过程，从而合成有机-无机杂化材料，模拟骨骼和牙齿等天然组织的复合壳聚糖［44］。探索更优良的交联材料、更适宜的混合比例是未来壳聚糖应用于口腔颌面组织缺损修复的发展方向。