磷酸钙类生物材料在口腔临床应用中的研究进展

2016-12-12 11:12  来源:中华老年口腔医学杂志
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    磷酸钙生物材料是包含羟基磷灰石、磷酸三钙、磷酸四钙等钙磷化合物的一类总称,其成份与骨组织的无机成份相似,并且具有良好的生物相容性和骨传导性,在体内能够与骨组织直接结合从而完成骨缺损的修复。因此,磷酸钙生物材料作为生物活性材料被广泛的应用于口腔科和骨科。

    其中磷酸钙骨水泥在口腔医学中有广泛应用,它通常由固相和液相组成,固相即为磷酸钙类粉末,液相则为生理盐水或者稀磷酸,当两者按比例混合后植入体内,在体内环境下能够自行固化凝固。但是磷酸钙生物材料机械强度较低、缺乏骨诱导性,从而无法应用于负重区的骨缺损修复。因此,目前研究的热点集中于对磷酸钙生物材料的改性及通过复合其他材料或者因子,以达到增强机械强度和骨诱导性的目的。在目前口腔医学中,磷酸钙生物材料主要应用于以下几方面:

    1.颌骨缺损修复材料

    在种植外科和颌面外科中,自体骨由于具有高度的成骨潜能和生物相容性而成为骨移植材料的金标准,但取材时更大手术伤害与病痛也是其自体骨移植不可避免的缺陷。异体骨移植则有可能引起免疫排斥反应,甚至引发传染性疾病,所以两者的临床应用受到很大的限制。

    早在100多年前,磷酸钙生物材料作为骨替代品和药物载体就已经应用于颅面外科手术。直至今天,考虑到替代和仿生骨组织时,磷酸钙生物材料依然是人们的首要选择,尤其是磷酸钙骨水泥,能够通过更复合其他材料和因子来形成仿骨结构并展现出良好的生物学性质。

    随着研究的深入,各种形式的磷酸钙生物材料已经在临床医学中展现了优良的性能,并得到广泛应用,如用于种植外科中的上颌窦提升及骨量不足时的提升骨量。他们能够被制作成各种形状来满足不同的临床需求,例如致密的块状、多孔支架用于水平骨缺失修复;颗粒状的用于牙周袋和分歧的缺损修复。

    磷酸钙生物材料能够与大部分的细胞形成良好的生物相容性,例如成骨细胞、破骨细胞、成纤维细胞和牙周韧带细胞等。磷酸钙生物材料具有骨传导性,骨组织可以贴附在其表面、迁移、增殖并骨向分化。但是磷酸钙生物材料较高的密度和较慢的生物吸收速度不利于骨组织工程。EI制备了大孔的生物材料并复合了具有骨诱导性的生长因子和细胞来解决上述问题,或者复合可吸收的聚乳酸、凝胶或者壳聚糖等。Simpson以猴子牙周骨缺损作为研究对象,在牙周骨缺损区植入CPC,结果15周后可以观察到CPC被骨细胞吸收,而且生成了新骨,生长了很多新生的牙周组织,而且并没有出现明显的不良反应。Daculsi制备了一种可注射的磷酸钙骨水泥,将其植入兔子的骨缺损后,虽然其机械强度较低,但能够很快的被吸收,并被新骨替代,可以作为新的骨修复材料用于口腔科、整形外科等。AbdulQaderml通过人牙髓细胞的碱性磷酸酶活性及成牙相关基因表达,研究不同孔隙率的双相磷酸钙支架对人牙髓细胞成牙分化的影响,发现孔隙率为65%的双相磷酸钙支架能够支持人牙髓细胞向成牙分化。

    Ohe运用3D CBCT对16名采用双相磷酸钙提升上颌窦的患者进行了不同时间点的扫描分析,证明了双相磷酸钙具有较高的体积稳定性,能够成功的用于上颌窦提升。近年来,3D打印技术开始应用于各个领域,以临床快速个性化订制做为优势,结合磷酸钙类材料的自固化性和生物活性,将磷酸钙作为3D打印原料,可用于修复颌面部大量骨缺损。

    2.生长因子或药物的载体

    药物控制释放作为一种有效的治疗疾病的方法已被广泛地应用于医学领域。该方法是将药物负载到一定的载体中置于人体内,通过控制药物在体内的释放速度,使药物按照设计的剂量,在要求的时间范围内按一定的速度在体内缓慢释放,以达到有效治疗的目的。在颌骨疾患及齿科种植治疗领域中,磷酸钙生物材料材料以其优异的性能被认为是一种比较理想的药物缓释载体。

    将特定的药物载入磷酸钙中植入颌骨缺损部位,既能够促进颌骨组织修复,也能够通过药物的缓慢释放,达到治疗某些疾病的目的。对于需要负载生长因子来治疗的骨缺损,一个关键的因素是如何向特定骨位点负载更多的生长因子及通过缓释来长期保持理想的局部药物浓度。

    药物可以与骨水泥的固相或者液相混合,这样就可以随着骨水泥的降解逐步释放,从而达到长时间的缓释效果。许多学者对磷酸钙生物材料作为药物缓释载体做了大量的研究,他们分别将万古霉素、牛胰岛素、阿司匹林等药物与磷酸钙进行复合,并对此复合体系药物释放速度进行了深入的研究。结果显示载药磷酸钙具有良好的缓释性能,大多数药物的释放速度取决于药物在水泥微孔中的扩散速率。刘冰对负载万古霉素的磷酸三钙修复感染性骨缺损进行了研究,发现载药磷酸三钙在体外模拟体内环境下持续释放高浓度抗菌素长达22天,植入金葡菌污染的骨缺损后可有效预防骨感染并修复骨缺损。

    Xiao将多孔磷酸钙支架负载胶原和生长因子后对比格犬的牙周骨缺损进行修复,发现胶原的加入能够极大地促进支架的降解,生长因子则促进了新骨的生成,表明负载胶原和生长因子的大孔磷酸钙支架是牙周骨组织修复的良好生物活性材料。此外,也有研究表明,在磷酸钙生物材料中复合有机物,如聚丙烯酸、聚乳酸等有助于调控所载药物的释放。

    Schlafer发现通过共沉淀法制备的磷酸钙一骨桥蛋白颗粒能够减缓牙齿表面生物膜的酸化,并保持pH在5.5以上从而控制龋坏的发展。Zhangt制备了一种抑制龋坏的无定型磷酸钙纳米颗粒,该复合物能够重复释放钙磷离子,从而能够长时间的抑制龋坏。

    3.种植体表面涂层

    金属种植体表面的涂层研究也是当前种植体领域研究的热点,其中磷酸钙类作为具有生物活性的涂层是最常见的一种。最常用的是羟基磷灰石和β-磷酸三钙,其主要问题是涂层与金属体界面的结合强度不够牢固和涂层内部的残余应力。目前常用的牙种植体表面羟基磷灰石涂层是等离子微米级的,其存在的主要问题是涂层和基体的界面结合不牢固和涂层内部的残余应力,导致金属和涂层间的结合力下降。磷酸钙生物材料的颗粒尺度对其机械强度有较大的影响,许多研究者致力于优化涂层制备工艺、纳米化磷酸钙颗粒以及改善涂层结构设计来增强结合强度和稳定性。

    Van研究发现羟基磷灰石涂层的钛种植体具有明显的促进细胞黏附的作用。Lopezheredia通过电沉积的方法在钛种植体上进行磷酸钙涂层,对涂层的微孔结构、化学组成和结晶度进行了评价,结果发现低电流能够在阴极产生氢气从而扰乱磷酸钙的沉积,镁离子和碳酸氢根的离子数量能够影响涂层的均质性和形貌。Cleriesl通过激光消融技术将不同形貌的无定型磷酸钙和羟基磷灰石沉积到钛种植体表面,研究涂层的结合强度和破裂形态,发现微小颗粒的羟基磷灰石涂层结合强度更大,更不容易脱落断裂。Kumar对种植体表面进行了不同的处理,对比了这几种处理后的种植体的骨传导性,结果表明表面处理能够提高种植体的生物活性,而吸附更多钙离子的种植体具有更好的骨传导性。He通过研究发现将大粒径的锌一磷酸钙均匀分散在氧化钛纳米棒膜上能够明显提升氧化钛纳米棒膜的成骨能力,证明了该方法能够有效的提升齿科种植体的骨生成活性。

    4.根管充填材料

    磷酸钙生物材料作为根管充填材料具有良好的密闭性,而且能够引导根尖钙化组织沉积,促进根尖周组织愈合。有研究表明磷酸钙是具有成骨作用的新型根充材料,而且还有强抗菌能力,特别是革兰氏阴性厌氧菌,因而磷酸钙骨水泥是理想的根充材料。此外,磷酸钙充填材料具有良好的生物相容性和骨传导性,超填时,不会引起炎症反应,能够在根尖形成新的钙化组织,促进根尖周的牙周膜附着。

    临床研究结果表明,对于需要根尖诱导闭合的根管和可能造成超填的根管而言,自固化磷酸钙骨水泥都比氢氧化钙糊剂具有更好的疗效。Bael研究发现,与氢氧化钙糊剂对比,磷酸钙骨水泥作为根管充填材料细胞毒性更低,引起炎症的可能性更小,具有更好的疗效,不仅封闭性完好,而且固化后增强了牙根的机械强度,减少了根折几率。Lee发现磷酸钙可以促进人成牙本质细胞增殖分化,可作为髓室底穿孔的充填材料,封闭髓室底穿孔处,形成屏障作用,严密隔绝髓腔和牙周组织,消除炎症促进愈合。

    磷酸钙生物相容性好,可吸收降解并可引导新骨再生,且引导骨生成速率和其降解速率相协调。综上所述,经过多年的不断研究,磷酸钙类生物材料由于本身所具备的良好的生物相容性、骨传导性、可降解性等已经应用于口腔科和骨科的临床治疗中。但由于机械强度较低及不具备骨诱导性等缺陷,尚不能应用于大段承重骨缺损的修复,使其应用受到了限制。随着对磷酸钙类生物材料研究的深入,其性能也将不断提高,必然会推动磷酸钙类生物材料在口腔临床治疗中的广泛应用。

编辑: 陆美凤

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