位点保存材料的研究进展

李贝贝 陈志宇 袁 硕 王金梅 孟令强

作者单位：050017石家庄，河北医科大学口腔医学院·口腔医院，修复科，河北省口腔医学重点实验室，河北省口腔疾病临床医学研究中心（孟令强为通讯作者）

与几十年前相比，随着人们对口腔健康重视程度的提高，且保存牙齿的技术也进步了许多，原本许多拔牙适应症的牙已可成功地进行牙体缺损修复，但仍有许多患者因为龋病、牙周病、外伤、发育性疾病等原因造成患牙的不可保留，需要拔除。位点保存术（site preservation）[1]是指在拔牙的同时或随后，采取一定措施，最大程度减少牙槽嵴的吸收，为后期种植修复提供足够的骨量和良好的骨质。拔牙窝的形态、软组织愈合的类型、移植材料的类型、屏障膜的使用和生长因子、生物活性分子的使用等都会对位点保存的最终效果产生影响。本文就位点保存术的软硬组织保存及组织工程材料新进展进行综述。

一、软组织保存

软组织的早期闭合对于保护膜和骨移植材料，以防止成骨过程中上皮细胞侵入影响成骨过程，是非常重要的。为了保证拔牙窝在不受干扰的环境中愈合，必须通过适当的皮瓣缝合来保证软组织闭合，这就需要有足够的软组织，且缝合时应相对被动和无张力[2，3]。影响伤口愈合的另一个关键因素是血凝块的稳定性。因为血凝块促进肉芽组织的形成，肉芽组织随后转化为骨。此外，血凝块中含有大量的细胞因子（如IL-1、IL-8、TNF）、生长因子（如PDGF、IGF）和信号分子，这些信号分子有助于招募细胞促进血管生成和骨再生。在大多数临床治疗中，只有通过放置屏障膜才能避免上皮细胞和结缔组织侵入，从而保证血栓的稳定性。目前临床常用的屏障膜分为两种，不可吸收性膜和可吸收性膜。

1.不可吸收性屏障膜：包括聚四氟乙烯膜、钛膜、生物性硅酮膜等，其中以聚四氟乙烯膜用得最多。但是，不可吸收性屏障膜因为不能被吸收，需要二次手术取出[4]，增加术后并发症的发生率，所以不可吸收性屏障膜应用受到了限制[5]。

2.可吸收性屏障膜：包括胶原膜、聚乳酸膜、镁合金膜等。这些膜可以在体内分解，形成新骨，不需要通过二次手术取出。其中使用最多的是胶原膜。胶原膜具有良好的细胞亲和性和生物相容性，但成本较高，且吸收期与正常组织愈合程序不完全相同，使其屏障作用受到影响。除了胶原膜，目前国内外许多学者[6]对镁合金进行了广泛的研究。镁因材料密度和弹性模量等方面与人骨接近[7]，且易降解吸收，并且其降解过程可促进钙的沉积而被广泛研究，但其降解速度如何与骨形成的速度相匹配，同样是一个难以攻克的难题。基于以上不可吸收和可吸收膜存在的主要缺点，不对称结构多功能性膜、缓释抑菌性生物膜[8]、复合生物化功能性膜应运而生。无机/有机复合材料是由生物陶瓷材料和高分子材料复合制备而成的材料，既具有无机材料的骨诱导性、骨传导性及生物活性，又具有高分子材料优异的力学性能及降解性，可以满足骨修复材料的要求。国内外许多学者通过3D打印的方法制备不同比例的生物陶瓷材料与高分子材料复合膜，乔庚[9]将不同重量比例的纳米羟基磷灰石（nano-hydroxyapatite，n-HA）/聚乳酸（polylactic acid，PLA）/聚 乙 烯 醇（polyvinyl alcohol，PVA）（n-HA/PLA/PVA）进行复合，张海峰等[10]将聚乳酸-羟基磷灰石支架材料进行3D打印应用于动物实验，都取得了较好的实验效果，为口腔屏障膜的研发提供了很好的方向。口腔屏障膜材料改进和制造方法的创新是现阶段研究的重点，尤其是3D打印技术的广泛应用。旧材料不断改良、新技术不断应用于口腔屏障膜材料，使口腔屏障膜不仅安全有效且价格更为低廉，使其更好的服务于口腔疾病的患者，但距离真正的广泛应用还有一段距离。

二、骨组织保存

目前，“完美的”骨移植材料还没有开发出来，尚需进一步努力。在生物化学、生物工程和纳米技术的辅助下，以细胞因子和/或基因修饰药物为主要成分的复合型骨再生材料的开发，为骨再生开辟了新的领域[11]。目前临床上常用的骨材料主要有以下几种：

1.自体骨：自体骨由于具有良好的骨传导、骨诱导和骨再生能力，被认为是骨移植的“金标准”，另外，还有一种自体牙骨粉。

2.同种异体骨：是指来自于同种但不同属于一个个体，被挑选、处理和保存在骨库中。通常有新鲜冰冻骨、冻干骨、脱矿冻干骨。这些材料具有骨传导和骨诱导性[12]。与自体骨相比，骨形成缓慢且诱导能力低，吸收快，容易传播疾病。

3.异种骨：指植入物来自于与受体相关的不同物种的供体，以相对可承受的成本进行大规模生产。目前临床上应用广泛的Bio-Oss骨粉，另外还有马骨[13]、猪骨[14，15]、藻类和珊瑚类[16]等异种骨移植材料，但这些异种骨吸收潜能低，通常只有骨传导性，可以与生长因子或其他来源的骨移植结合应用。

4.人工合成骨：所有的蛋白都被移除，只能作为三维支架支持细胞生长和骨形成，增加细胞黏附和增殖[17]，它们的化学成分、几何结构、显微结构和机械性能是骨重建成功的关键因素[18]。目前临床上应用最广的是羟基磷灰石（HA）和磷酸钙（TCP）。为弥补其无骨诱导性的缺陷，一般需要与细胞因子或自体骨联合使用。

5.组织工程材料：组织工程是一项涉及细胞、支架和生长因子组合的协同工作的工程。组织工程是一个不断发展的研究领域，如骨、肌肉和软骨再生等领域不断出现新的发展。例如，传统的骨移植材料往往是脆性的，缺乏优化的孔隙率，并不能很容易地适应患者特定的需求。三维（3D）打印技术的进步使骨再生支架的制造成为可能。骨是一种纳米复合材料，70%的骨基质由纳米羟基磷灰石组成，其长度一般为20～80nm，厚度为2～5nm。骨细胞外基质（extracellular matrix of bone，ECM）中的其他蛋白成分也是纳米级的，这种纳米级ECM在骨中紧密包围和影响间充质干细胞、成骨细胞、破骨细胞和成纤维细胞的黏附、增殖和分化。在组织工程中，生物材料被用来作为支架，为骨和软骨再生建立特定的ECM。支架与细胞和其他生物分子，如骨形成蛋白（BMP）、血小板源性生长因子（PDGF）、浓缩生长因子（CGF）一起使用，它支持细胞定植、粘附，并通过刺激成骨分化参与体内骨形成和组织再生。CAO等[19]将BMP-2多肽、E7通过静电力辅助锚定在3D打印的α-磷酸三钙生物支架材料上，结果表明α-磷酸三钙支架复合E7、BMP-2缓释系统具有更优的骨诱导能力。支架应该具备以下四点要求[20]：首先是几何性质。骨支架需要有最佳大小和相互连接的多孔空间来容纳细胞，允许营养物质和代谢废物进出细胞。第二个要求与材料的性能有关。这些材料必须具有骨传导性、生物相容性和生物可降解性，在细胞的初始附着以及随后的细胞渗透和矿化阶段起着至关重要的作用。第三项要求与支架的机械性能有关，可以承载种植体。最后，支架应能够调节植入部位内部及周围的生物活性分子。目前常用的支架主要有两种[21]：一是纳米纤维，是指在材料的三维空间尺度上有两维处于纳米尺度的线（管）状材料，通常是直径或厚度为纳米尺度而长度较大。静电纺丝是一种利用静电力开发具有多种材料的三维纳米纤维支架的一种用途广泛、前景广阔的方法。在骨组织工程中，纳米纤维支架因其模拟了天然的骨的ECM，与骨组织中的胶原纤维相似而被认为是最接近理想的支架材料[22]。能否成功制备静电纺丝的主要影响因素有：纺丝液的性质，可控变量，环境变量等[23]。目前，有各种各样的材料用于制作骨和软骨组织支架，主要为天然聚合物（胶原蛋白、壳聚糖、纤维蛋白原等），合成聚合物（聚已内酯，聚乳酸等）和混合材料（负载纳米银颗粒的聚已内酯等）[24]。二是水凝胶，它是一种低粘度的材料，便于注射给药，可吸收，并且可以在体内交联形成非常坚硬的支架。水凝胶具有类似于ECM的结构，它可以将蛋白质或细胞捕获在网孔中，并根据需要释放所需物质。由于水凝胶具有较高的持水能力（与软组织的持水能力相似），因此比其他3D支架更能维持细胞的生存能力。然而，传统水凝胶机械性能不足、降解速率与骨再生不匹配、材料植入方法单一[25]。近年来“刺激响应型水凝胶”被引入骨修复领域，其能够感受温度、光照、PH和磁场等外界物理化学刺激，进而在三维形状、固液相态等性质上触发转变，使骨修复的治疗实现微创化，并且可以精准匹配复杂的骨缺损，这使其成为骨组织工程中新的支架材料[26]。许多研究人员试图设计各种复合材料（金属纳米颗粒复合纳米纤维、陶瓷材料复合水凝胶等）使支架的力学性能与骨骼的力学性能相匹配，以获得相同的硬度和强度。Villa等[27]制备了胶原-羟基磷灰石（Col-HAP）复合支架，将小鼠BMSC接种到支架上并移植入小鼠颅骨缺损中，结果显示3周后颅骨缺损几乎完全被充满，且数周后支架被自身基质金属蛋白酶降解。复合材料的仿生性能和优异的理化特性对促进细胞的生长和组织再生起着至关重要的作用。

3D打印技术应与数字医学成像、有限元分析、虚拟手术计划、运动捕捉等技术相结合，以满足生物材料的复杂性。另外，在4D打印中[28，29]，3D打印的构件被设计成随着时间的推移，根据环境的刺激进行变化。值得注意的是，在4D打印支架制作过程中，应考虑软骨和骨缺损应用的靶组织所有微观和宏观方面的生理变化，将医学成像、计算机建模、精确的个性化设计以及3D和4D生物打印技术引入到组织工程中，将有助于以低成本的方式构建功能强大的骨和软骨替代物。由于组织工程材料具备诱导成骨的性能，可为患者提供“个性化自体骨移植”，目前，组织工程骨作为骨再生替代材料的“铂金标准”成为近年来的研究热点，我们希望在不久的将来能有一个经济有效的骨移植材料可以更好的填充于拔牙窝内，作为位点保存的骨填充材料，随着时间的推移，可以获得最佳的成骨效果。