水凝胶类软组织扩张器在口腔黏膜软组织扩张中的应用研究进展

罗云潇 杨帆 陈云芳 王林红

一些可能导致软组织及骨组织缺损的口腔颌面部疾病的治疗常常需要有足够的软硬组织来达到口颌系统功能重建的目的。目前，口腔硬组织缺损的再生修复技术已经相对成熟，而牙龈黏膜等软组织不足的处理仍存在诸多问题亟待解决，例如黏膜缺损、伤口裂开导致骨移植物的暴露显著影响骨增量的效果[1]。骨再生术术后各类软组织并发症发生率高达16.8%[2]。目前临床上对于口腔软组织不足的解决办法仍以技术要求高、创伤大的外科手术为主，例如游离减张来减少创口初期张力[3]、膜龈手术治疗牙龈退缩等软组织缺陷[4]、皮瓣转移修复口腔颌面部肿瘤切除后大面积组织缺损[5]等。而软组织扩张术因简单、微创的手术过程被认为是一个具有良好应用前景的软组织增量手段。软组织扩张术是将软组织扩张器植入正常软组织下并通过体积变化对软组织产生压力，从而形成色泽、质地与相邻软组织相似的新生软组织。目前常用的软组织扩张器分为球囊类和水凝胶类。球囊类软组织扩张器应用广泛且历史悠久，目前主要应用于整形外科、烧伤科等领域。然而，其在乳房重建及烧伤术后领域的应用目前仍存在较高的组织坏死及血肿发生率[6-7]。近年来，水凝胶类软组织扩张器因其吸水溶胀特性而在软组织扩张领域也得到广泛应用。本文就目前水凝胶类软组织扩张器在口腔黏膜软组织扩张中的应用研究进展作一综述。

1 水凝胶类软组织扩张器的发展历史及在口腔黏膜软组织扩张中的应用

软组织扩张术的概念诞生于1957年并被应用于耳部软组织重建。其特征是基于软组织的生物学特性，通过对软组织施加的机械力而增加软组织总量[8]。软组织扩张术具有扩大软组织表面积而不改变其厚度的能力，并能够产生具有与原始组织相似的颜色、质地的组织。

1986年，Lew等[9]首次将球囊类软组织扩张器应用于口腔黏膜软组织扩张，术者通过周期性地注射0.9%氯化钠溶液使球囊类扩张器膨胀，软组织受到扩张器的张力作用而形成新生软组织。球囊类软组织扩张器曾在上世纪80年代被短暂应用于骨膜、牙龈及黏膜等软组织增量[10-12]，然而因注水后短期内产生的较大组织张力导致软组织变薄穿孔[13]，注射0.9%氯化钠溶液的导管常导致炎症反复发作等原因，球囊类扩张器在口腔黏膜扩张方面未得到广泛应用。

1993年，Wiese[14]首次使用水凝胶材料制作软组织扩张器并对大鼠背部皮肤产生了可观的软组织扩张效果。相比于球囊类软组织扩张器，水凝胶类软组织扩张器可吸收体液并不断膨胀，无需间断性注射0.9%氯化钠溶液，减少了术区感染的风险。该扩张器于1999年在德国OsmedR公司设计并投入生产，并于2001年被美国FDA批准成为第一批商品化的水凝胶类软组织扩张器。然而，第一代OsmedR水凝胶类软组织扩张器膨胀速度较快，容易导致局部组织的缺氧坏死[15]，因此未得到广泛应用。

2010年，经改良的水凝胶类软组织扩张器被首次应用于口腔黏膜软组织扩张并取得了可观的口腔软组织扩张效果[16]。相比于上一代扩张器，第二代OsmedR水凝胶类软组织扩张器增加了硅胶外壳以限制水凝胶与体液的接触[17]，膨胀速率适宜并可诱导形成牙龈、黏膜等口腔软组织。

目前，德国 OsmedR公司、韩国 OsstemR公司及印度AkinaR公司均研发了商品化的水凝胶类软组织扩张器[18-19]。其中OsmedR公司和OsstemR公司的两款扩张器均由N-乙烯基吡咯烷酮和甲基丙烯酸甲酯共聚合成，并通过带孔硅胶外壳进行包裹。此外，亦有不少学者通过其他不同高分子材料制作了不同水凝胶体系的软组织扩张器，其在口腔黏膜软组织扩张中各有特点。

2 不同水凝胶类软组织扩张器的主要材料体系和特点

2.1 N-乙烯基吡咯烷酮（N-vinyl-2-pyrrolidone,NVP）和甲基丙烯酸甲酯（methylme-thacrylate,MMA）共聚水凝胶体系 NVP的聚合物具有化学性能稳定、毒性低的特点，在组织工程、伤口敷料、药物缓释等方面应用广泛[20]。MMA的聚合物也是制作骨水泥的主要材料，具有良好的生物相容性。MMA和NVP单体在共聚反应下形成MMA/NVP水凝胶聚合物网络并将-CH3转变为-COOH。后者电离释放氢离子，提高水凝胶内渗透压并使凝胶吸水膨胀[21]。聚合物外包裹的带孔硅胶外壳可限制水凝胶与体液接触，减缓水凝胶材料的溶胀速度并有效提高组织扩张的成功率[17]。

Abrahamsson等[22]将MMA/NVP软组织扩张器植入于兔下颌骨外侧，2周后通过组织学切片发现扩张器上方完整的骨膜及边缘骨膜下方新骨的形成，证明了其良好的骨膜扩张能力。在随后的动物实验中，该组织扩张器被用于各类骨增量手术术前，其骨膜扩张作用为骨增量手术提供了可观的植骨空间并有效降低了钛网植骨及Onlay植骨手术的术后软组织裂开的发生率[23-24]。Swan等[25]在2011年将MMA/NVP体系进行了改良，制作出具有各向异性的软组织扩张器，实现了水凝胶软组织扩张器各个轴向上的差异性膨胀。然而，各向异性的MMA/NVP软组织扩张器在动物实验中造成了严重的腭侧骨板吸收[26]。

在临床实验中，Kaner等[27]首次将水凝胶类软组织扩张器植入患者下颌游离端多牙缺失位点，经黏膜扩张后的位点在行包括Onlay植骨的垂直骨增量手术时无需进行额外的软组织手术便能达到良好的创口关闭，并仅有1例患者在黏膜扩张过程中出现了少量的黏膜暴露；Mertens等[28]将水凝胶类软组织扩张器用于无牙颌的骨增量手术术前，经黏膜扩张的位点在骨增量术后无需行额外的软组织增量手术，并且未出现感染、伤口裂开等并发症；Byun等[29]在一项随机对照试验中发现经过黏膜软组织扩张有效增加了垂直骨增量的效果及可预期性。经组织扩张的位点在垂直骨增量术后6个月时仅有平均30.7%骨量减少，明显优于对照组的55.1%。

第二代OsmedR水凝胶类软组织是目前主流的使用MMA/NVP水凝胶体系的软组织扩张器，其扩张速率通过硅胶外壳上的孔隙来调控，鲜有文献提及通过其他方式调控MMA/NVP水凝胶体系的溶胀速度。由于硅胶外壳的存在，该体系的扩张器存在原始体积较大，扩张形状较为单一的特点，因此无法实现微创植入，更难以适应解剖结构复杂的口腔环境，临床应用较为局限。

2.2 聚乳酸-羟基乙酸[poly（lactic-co-glycolic acid）,PLGA]、聚乙二醇[poly（ethylene glycol）,PEG]和乙二醇二甲基丙烯酸酯（ethylene glycol dimetha-crylate,EGDMA）水凝胶体系 Garner等[30]于2017年采用DL-丙交酯、乙交酯、PEG和EGDMA等成分聚合，制作出可延迟膨胀的水凝胶类软组织扩张器。DL-丙交酯和乙交酯可在PEG分子链两端聚合形成PLGA，并最终得到PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物。PLGA具有生物降解性，可降低扩张器初期的溶胀速率；而EGDMA则可以维持水凝胶体系的外形并保持一定的机械强度。Barwinska等[18]将PLGA/PEG水凝胶软组织扩张器植入犬上下颌骨骨膜下，该扩张器可以日均3.5%的速度缓慢增加并不损伤扩张软组织的血流灌注。Garner等[31]则在动物实验中将PLGA/PEG水凝胶软组织扩张器先后两次植入同一牙槽嵴位点，两次植入的成功率均超过了95%并分别获得了约8 mm和6 mm的软组织增量，提示了该软组织扩张器在有颌面部外伤史、手术史的软组织位点也具有良好的软组织增量能力。

PLGA/PEG水凝胶软组织扩张器无需通过硅胶外壳限制初期溶胀速度，其外形具有较好的可塑性。然而，PLGA水解产生的乳酸和乙醇酸会导致局部微环境呈酸性，对细胞增殖和骨缺损修复产生负面影响[32]。目前，关于该软组织扩张器对后续骨增量手术成骨效果的影响仍未有文献报道，且该体系水凝胶类软组织扩张器尚还在实验研究阶段，目前并无商品化扩张器在临床应用。

2.3 聚苯乙烯-alt-马来酸酐[poly（styrene-alt-maleic anhydride）,PolySMA]和对二乙烯基苯共聚水凝胶体系 Hrib等[33]于2019年使用苯乙烯及马来酸酐（maleic anhydride,MA）等高分子共聚形成初始溶胀速率较为缓慢的软组织扩张器。该组织扩张器以苯乙烯和马来酸酐（分子量比为1∶1）为单体在65℃水浴下聚合形成polySMA聚合物，并加入不同质量分数的对二乙烯基苯（p-divinylbenzene,DVB）作为交联剂调控该水凝胶体系的溶胀速率。在体外溶胀测试中，该组织扩张器能在溶胀初期（约2 d）缓慢溶胀，体积变化较小，并在之后的30 d内逐渐溶胀至原有体积的14倍以上，并且完全膨胀状态下的扩张器力学一致性良好，压缩弹性模量在750～850 kPa，体外细胞培养实验和小鼠模型的体内评价显示出良好的生物相容性和合适的膨胀反应，可满足软组织扩张器的应用要求。

3 水凝胶类软组织扩张器的局限性

3.1 水凝胶类软组织扩张器初始体积和外形 目前投入临床应用的水凝胶类软组织扩张器多为硅胶外壳包裹的实心块状水凝胶，其溶胀效率受限。无溶胀能力的硅胶外壳增加了扩张器的初体积，大大降低了扩张器溶胀效率。对于多牙位点的下颌游离端缺失及全牙列缺失，有足够的软组织可以放入软组织扩张器并保持较小的初期张力，水凝胶类软组织扩张器通常能得到较好的软组织扩张效果[27-28]；但是对于单牙缺失、薄龈生物型的位点，水凝胶类软组织扩张器的治疗预后仍不稳定。目前绝大部分扩张器的形状受硅胶外壳限制，无法与口内复杂结构相适配而造成创口闭合后初期张力过大，从而导致扩张过程中黏膜穿孔及扩张器脱落[17]。这也可能是其在前牙区单个牙缺失位点的效果不尽如人意的原因[34]。同时，对于术区有外伤史、有瘢痕组织及行腭裂手术或者吸烟的患者，软组织局部血供较差，脱落裂开的风险也较大[28，34]。

3.2 水凝胶类软组织扩张器移位与术式选择 水凝胶类软组织扩张器存在植入后滑动的可能性。目前，OsmedR公司等有硅酮外壳包裹的扩张器，在植入扩张器的过程中，通常需要翻瓣植入钛钉固定以防止其在术区的移动。这使得术者无法选择隧道技术进行微创植入[22]。增大了手术的创伤。同时，用以固定的钛钉不可避免地靠近切口侧，增加了切口暴露的风险，同时在二期取出时也较为困难[34]。

3.3 水凝胶类软组织扩张器对骨组织的影响 目前，关于软组织扩张器是否会造成骨质吸收的问题尚无定论。有研究发现软组织扩张器在植入鼠颅骨骨膜下后，其下方的颅骨厚度出现了不同程度的下降[30，35]。Yoo等[19]将软组织扩张器植入比格犬下颌骨的骨膜下，4周后组织学切片显示软组织扩张器下方的牙槽骨出现了扇贝状的骨吸收痕迹，高倍镜下显示与扩张器接触的骨界面存在破骨样细胞及骨吸收陷窝，提示骨吸收活跃。Swan等[26]将软组织扩张器植入猪的上颌腭部的骨膜下区域，6周后观察到腭骨骨质明显吸收及腭板穿孔，提示水凝胶类软组织扩张器的使用存在潜在骨吸收风险。在临床实验中，Mertens等[28]发现植入骨膜下的软组织扩张器仅有个别样本出现了吸收，甚至同一例患者的不同位点也出现了骨吸收的差异性，而植入骨膜上的软组织扩张器未出现任何的骨吸收迹象[27]。

有文献表明，使用隧道技术时骨吸收的情况较为明显[19，26]，而使用翻瓣技术植入软组织扩张器的动物未观察到明显的骨吸收[22-24]。Uijlenbroek等[36]比较了上述两种翻瓣技术植入软组织扩张器的影响。其结果表明两种翻瓣技术均未对山羊腭骨造成明显的骨质吸收，但该学者指出，腭骨骨面呈凹形，在软组织扩张器植入后不会产生较大压力，骨面吸收的可能性较小。

骨组织具有受压吸收的特性，软组织扩张器产生的压力对其内侧骨面的吸收影响至关重要。当前诸多文献中选用的实验动物、外科术式以及扩张位点局部解剖结构等因素均有所差异，造成了不一致的骨面吸收情况。因此，在今后的研究中需要进一步探讨软组织扩张中骨面受力与骨吸收的关系。

3.4 水凝胶软组织扩张器植入后形成的纤维包膜 水凝胶类软组织扩张器在植入后，机体会保护性地产生异物反应，并最终产生主要成分为成纤维细胞及胶原纤维的纤维包膜[37]。诸多学者在实验中发现了纤维包膜的形成。Hrib等[33]观察到软组织扩张器植入后不断增厚的纤维包膜，并在植入18 d左右达到约3.5 mm。Yoo等[19]则在组织扩张器周围的纤维包膜中发现了血管及富纤维组织。Jamadi[38]、See[39]等的实验结果表明组织扩张后形成的纤维包膜中未发现多核巨细胞及其他炎症细胞的存在，提示水凝胶类软组织扩张器的植入可能仅导致轻微的炎症反应。Garner等[30]制作的无硅胶外壳的软组织扩张器在植入后同样也形成了纤维包膜。

尽管上述研究证明了纤维包膜的无害性，其存在仍可导致软组织包膜挛缩的发生。包膜挛缩常见于整形外科，是假体隆胸术后常见的并发症[40]。目前鲜有文献提及口腔黏膜软组织的纤维包膜挛缩，其原因可能是包膜挛缩常发生于长时间（一般为数月）的异物植入。然而Garner等[31]在首次植入水凝胶类软组织扩张器3个月后对相通位点进行二次软组织扩张时，发现其效果明显弱于第一次，并且组织扩张的速度也相对缓慢，提示组织扩张后的口腔黏膜弹性可能受纤维包膜影响，这为组织扩张的远期效果带来了不确定性。

3.5 水凝胶类软组织扩张器的骨膜扩张作用 目前，为达到骨增量术后的无张力缝合，临床医生通常会采用骨膜减张切口的手术方法，然而这种外科术式会损伤骨膜的完整性及血供，最终影响骨增量的预期[23]。骨膜内存在具有成骨潜力的间充质干细胞，因此骨膜对引导骨再生，特别是对于无骨诱导性的异种骨移植手术，术后形成新生骨的质量和数量具有至关重要的作用[41]。

有研究表明，球囊类软组织扩张器植入兔颅骨骨膜下90 d后可以显著增加骨膜中成骨细胞数量、成纤维细胞数量及血管密度[42]。这种特性提示软组织扩张器在牙科骨增量手术方面具有较好的应用潜力。部分文献显示，水凝胶类软组织扩张器在各种动物实验中具有扩张骨膜的作用，并且在扩张的骨膜下可观察到新生骨的形成[19，22]。然而，Kaner等[27]认为组织扩张后形成的纤维包膜会替换骨膜，新生的骨膜仅存在扩张器的正下方，无法起到骨膜扩张的作用，因此，关于组织扩张中骨膜的变化规律仍需要进一步研究。

4 水凝胶类软组织扩张器的发展趋势及展望

自上世纪90年代被首次提出，水凝胶类软组织扩张器在口腔软组织增量方面目前已经有了数个商品化的临床产品，但尚未常规广泛应用。相较于膜龈手术及其他软组织增量手段，软组织扩张术对软组织血供的损伤较小，可减少大范围骨增量手术后创口暴露的风险；同时形成的软组织色泽与质地和临近组织较为一致，适用于美学要求较高的病例；并且无需开辟第二术区，患者体验相对较好。

尽管有上述诸多优点，软组织扩张术仍然未被临床医生作为首选的软组织增量手段。目前，水凝胶类软组织扩张器目前仍存在诸多局限性亟待解决：（1）初始体积较大，其在前牙单牙缺失位点，特别是薄龈生物型的病例，植入较为困难，其效果仍需要进一步改良并证明；（2）软组织扩张中产生的纤维包膜对后期骨增量手术的影响以及是否需要去除等需要更多临床实验进一步研究；（3）硅胶外壳包裹的水凝胶软组织扩张器需要通过钛钉进行固定以防止滑动，其植入过程仍存在较大创伤性；（4）当前的水凝胶类软组织扩张器多为有机高分子交联形成，其残留单体存在一定的生物毒性；而天然高分子材料生物相容性较好，制备天然高分子材料构成的水凝胶可能成为今后软组织扩张器的改良方向。

随着高分子生物材料以及形状记忆等新型智能高分子材料的进一步研发，开发微创植入、适应证广泛且生物相容性良好的水凝胶类软组织扩张器，使得口腔黏膜软组织增量的技术难度大大降低并在临床广泛应用将成为一种可能。