组织工程技术在上颌窦提升植骨材料中的研究进展

2018-3-2 10:03 来源:口腔颌面修复学杂志
作者:应怡倩 马攀阅读量:7635

    在长期缺牙的上颌后牙区,由于拔牙后牙槽骨的吸收,上颌窦的气化,使剩余牙槽骨量发生严重萎缩,为使种植体植入足够的牙槽骨骨量中,上颌窦提升植骨术作为一种临床常规术式,有效地增加垂直骨高度。目前,用于上颌窦提升植骨术的骨替代材料主要有自体骨,异体骨,异种骨和人工合成的异质骨。自体骨是上颌窦提升植骨材料的金标准,但是由于来源有限,较大的的吸收率,手术的创伤及术后的不适,不易被患者接受。异体骨和异种骨虽有较多的骨源,但存在着引起免疫排斥反应及疾病传播的风险。人工合成的骨移植材料可克服上述缺点,这一类材料通过模仿天然骨组织的成分和结构,作为支架支持细胞和骨组织的长入。

    虽然有着良好的成骨功能,但单独应用这类材料,仅有骨引导性,所形成的骨量不可预计,在上颌窦提升植骨术中应当慎重使用。除了材料本身的性能外,从上颌窦区本身的特点看,植骨材料的应用也与其他区域植骨存在不同,(1)由于上颌窦解剖条件的限制,随着窦底植入材料的体积加大,提供骨髓干细胞和血供的骨膜面积相对较小,这较大地限制了缺损处的细胞和营养交换;(2)在上颌窦提升植入骨替代材料后,材料往往只有一面骨壁支撑,其成骨的效果及速度不及有多面骨壁支撑的骨缺损,而上颌窦提升植骨术成功的关键是植入材料能否诱导新骨的形成及骨量的增加,使种植体有足够的抗力来抵抗功能负重。这均导致在上颌窦区需要较长的时间进行骨愈合,一般推荐的愈合期为6-9个月,过长的骨整合时间也为患者带来明显的不便。

    随着材料学及生物学的发展,利用组织工程技术来修复骨缺损已成为学者研究的热点。通过组织工程学的方法将种子细胞,成骨活性生长因子与支架材料复合用于上颌窦提升中有利于解决上述问题。

    1.生长因子

    细胞生长调节因子简称生长因子,是诱导和刺激细胞增殖、维持细胞生物效应的蛋白质,在组织再生领域有广阔的应用前景。与骨组织再生相关的生长因子有:骨形成蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)、转化生长因子(transforming growth factor,TGF)、血小板衍生生长因子(platelet-derived grow factor,PDGF)、胰岛素生长因子(insulin-like factor,IGF)、表皮生长因子(epidermal grow factor,EGF)等。这些外源性生长因子的应用克服了非自体骨只能提供支架而不能提供成骨因子的缺陷。血液提取物在骨组织修复的动物实验及临床应用中得到肯定。

    富血小板血浆(platelet rich plasma,PRP)在短期内增加骨质形成,在影像学上表现为更高的密度。但是在上颌窦提升植骨中,在提升骨高度或新生骨百分率上经多篇文献报道并无明显差异。近些年来提出的新型修复材料,浓缩生长因子(concentrated growth factors,CGFs)相比富血小板血浆具有更多的纤维蛋白凝块,在一项动物实验中,将CGFs与Bio-oss骨粉混合用于犬上颌窦,经Micro-CT及组织学检查,其新骨的形成显著高于单纯的Bio-oss骨粉。骨形成蛋白具有极强的促进成骨的作用,通过诱导MSCs分化成为成骨细胞,从而促进新骨的形成。但这一类生长因子的成功应用取决于其释放系统。以往通过胶原(InductOS,Pfizer,InFUSE,Medtronic)作为生长因子的载体,但这两种载体均不能达到对生长因子的控制释放,容易导致生长因子的扩散。

    由于细胞对生长因子浓度的敏感性及生长因子较短的半衰期(7min),为了对细胞产生足够时间的刺激作用,在临床使用时这两种材料均含有较高的生长因子浓度,由此会引发一系列的并发症,如:异位骨化,骨溶解,神经功能缺陷,甚至癌症。因此,如何把外源的生长因子通过结合载体、支架等释放系统,在骨缺损部位持续缓慢释放,是目前研究关注的重点。Jiang等将人重组BMP-2和VEGF165与水凝胶复合形成的生长因子的缓释系统用于新西兰大白兔上颌窦内,随着凝胶的降解,生长因子被缓慢地释放,可持续发挥作用。经影像学和组织学观察,负载生长因子后的水凝胶在上颌窦区的成骨速度和效果均提高。使用可注射凝胶的还有一个好处是可发挥材料的填充作用,即使在不规则的腔隙缺损,如:上颌窦,也能使植入材料与骨壁或同期植入的种植体达到密切贴合。生长因子如骨形成蛋白2,虽有较强的促进骨形成的作用,但重组蛋白价格较高,限制其在临床上的大量使用。

    利用基因转导的技术,使种子细胞稳定持续地表达BMP-2,成为另一种经济有效的途径。学者利用携带BMP-2基因的腺病毒转染的骨髓间充质干细胞(bone mesenchymal stem cells,bMSC),与支架材料混合,通过裸鼠皮下植入进行检测,经基因转染的bMSC与支架材料的混合物具有异位成骨的能力,将基因转染细胞与Bio-oss混合植入犬上颌窦内,与单纯的bMSC与Bio-oss混合物相比,其新生骨百分比明显提高。但是外源性的基因在种子细胞上是否会过量表达,造成过量成骨甚至引起癌变,其在人体使用的安全性仍有待于进一步地研究。

    2.种子细胞

    骨组织工程的种子细胞来源有骨,软骨,骨膜等,骨髓间充质干细胞(bMSC)被认为可分化成成骨细胞,在骨组织工程学中常用作种子细胞。有研究报道,将bMSC作为种子细胞,与支架材料混合能明显促进骨再生,Zou等将获取的bMSC与磷酸钙骨水泥混合植入于山羊上颌窦并同期植入种植体,与单纯的磷酸钙骨水泥和自体骨相比,负载bMSC的磷酸钙骨水泥骨质形成和矿化更早,种植体骨接触率为35.63%±9.42%,而在磷酸钙骨水泥组和自体骨组为22.47%±4.28%和28.26%±8.03%。但一项Meta分析显示,尽管通过在植骨材料中加入bMSC,可观察到在上颌窦内大量新骨形成,但是与对照组相比并无明显差别。

    产生这种结果的原因是,尽管bMSC被认为可分化成成骨细胞,但是在骨髓中这类细胞的含量很低,并且它的增值率低于其他一些间充质干细胞。对供区的创伤限制了骨髓的获取量,因此为达到治疗剂量,需更多的时间扩增细胞,限制其在临床上的应用。bMSC在获取和细胞增殖上所面临的问题促使研究者们去寻找来源更丰富,增殖能力更强的干细胞。有研究显示,脂肪组织中含有大量的成体干细胞,相对于bMSC,脂肪干细胞(adipose-derived stem cells,ASCs)来源广泛,取材方便,在体外扩增的能力更强,并经体外细胞学实验证实该细胞能分化成成骨细胞,成软骨细胞,内皮细胞等。

    然而关于这两种细胞成骨潜能的比较研究存在着争议,有研究通过犬上颌窦提升模型,比较分析了ASCs与bMSCs的快速成骨能力,认为bMSCs具有更强的促进快速成骨能力,并且骨质形成更多,而相对之下,ASCs在植入后三周才出现明显的矿化。最近又有研究发现脱落乳牙中的干细胞具有分化成成骨细胞的能力且增殖能力比bMSC更强,Zhao等将其作为种子细胞复合磷酸钙骨水泥植入山羊上颌窦内,结果表明脱落乳牙中的干细胞能明显促进新骨的形成和成熟。

    3.支架材料

    对于支架的研究是骨组织工程的核心内容。无论是生长因子或种子细胞,两者发挥生物学效应都依赖于支架材料。骨组织工程的支架材料通过模仿天然骨组织的成分和结构,支持细胞和骨组织的长入。目前常用的支架材料有无机材料,天然或人工合成的高分子聚合物,或上述材料的混合。无机材料在口腔中应用主要是羟基磷灰石,二型磷酸钙(Beta-tricalcium phosphate,β-TCP),这类材料具有良好的生物相容性,骨引导性。羟基磷灰石(HA)在组成成分上与骨骼一致,具有良好的生物相容性,但是作为植入材料,HA在机体内的吸收非常有限,有文献提出并不提倡将这种材料单独得用于上颌窦提升,通常与自体骨联合应用。

    相比之下,部分学者认为TCP人工骨相对于羟基磷灰石等其他钙磷酸盐材料而言,由于具有较低的结晶度,更易发生生物降解,并在降解过程中释放出钙磷离子,可成为植入区新骨基质中的无机成分或机体钙磷库的一部分。尽管TCP具有良好的降解性能,但Chappard报道临床中β-TCP用于上颌窦提升的情况,研究发现植入人体12个月后,仍有未吸收的β-TCP残留。在上颌窦提升术中,如植入材料长期未能被吸收将会影响种植体的骨结合。Chung等认为理想的材料应具有类似天然骨组织的连续微孔结构,利于细胞在支架材料的内部进行迁移以及物质交换,以支持和引导新生骨在材料内部生长延伸。而无机材料,羟基磷灰石,磷酸三钙等,在多项骨组织工程学研究中发现,难以加工成高度多孔的结构,脆性较大。

    相比之下,高分子聚合物在设计上较为灵活,因为成分和结构可根据需进行调整,所以在多种组织工程学研究中包括骨组织工程学,高分子材料被广泛的研究。高分子材料包括胶原,透明质酸,纤维蛋白等,天然聚合物具有合成有机高分子材料无法比拟的生物相容性,具有细胞信号识别,利于细胞黏附,增殖和分化的优点,但缺点是材料的机械强度不足,降解速度很难控制。以胶原为例,胶原是骨组织细胞外基质的主要成分,作为天然来源的材料,不同生产批次之间难以保证稳定,以及传播病原体的可能性。在上颌窦由于气流压力的存在,会影响上颌窦区成骨,为种植体发挥可靠的功能作用,需在上颌窦提升植骨获得充足的骨量,要求在骨质发生完全愈合之前,植骨材料必须维持一定的空间。

    胶原较差的机械强度及较快的降解速率不足以支撑上颌窦膜,有研究中将胶原海绵作为植骨材料植入兔上颌窦内,经7-21天的愈合,胶原海绵所提升的空间减少了2/3。因此,胶原通常被加工改造,譬如:增加交联度或与其他材料(无机颗粒)混合来调控胶原的机械性能。临床常用的Bio-osscollagen就是90%的小牛骨颗粒与10%的胶原混合,已有大量的文献报道其在上颌窦提升中应用的有效性。尽管如此,胶原作为一种天然的有机高分子材料,分离纯化的步骤复杂导致加工制造的费用较高,并且在加工过程中难免会导致胶原的失活,仍然存在着免疫原性,传播病原体的可能。在近些年来,研究者为在结构和功能上模仿天然胶原,通过生物仿生途径,致力于人工合成胶原,同时也避免了天然胶原的免疫原性,传播病原体等缺陷。目前合成的高分子材料主要有多聚左旋乳酸、聚乳酸、聚乙醇酸、聚乳酸-羟基乙酸共聚物等。尽管这类类高分子有机材料有着良好的生物相容性、可降解性、材料的吸收率可根据需进行控制等优点。但此类材料的亲水性差,细胞吸附力较弱,其酸性降解产物易引起无菌性炎症发生;机械强度不足、聚合物中残留的有机溶剂可引起细胞毒副作用,以及可引起周围组织的免疫反应和纤维化。

    与天然生物材料相比,人工合成材料最大的缺点是缺乏细胞识别信号,不利于细胞的特异性黏附及特异性基因的激活。目前该类材料的研究集中于材料的改性、表面修饰以及复合不同材料以克服上述缺陷。譬如:SmartBone是由脱蛋白的牛骨,可降解的聚合物PLCL,及明胶混合组成,牛骨颗粒提高PLCL聚合物的机械强度,而明胶提高PLCL聚合物的亲水性,利于细胞的附着和迁移,将其作为上颌窦提升植骨材料,经组织学分析,在4个月时的新生骨体积与自体骨的总骨体积相当。从上述可见,由于自体骨,同种异体骨,或者异质骨在上颌窦植骨中应用均存在一些问题,譬如:伦理问题,传播病原体,免疫反应,材料的吸收问题,骨诱导问题等。

    近年来,以骨组织工程技术来修复骨缺损已成为国内外研究的热点,这也为上颌窦提升植骨材料的发展带来新的希望,然而有关上颌窦提升的骨组织工程的研究仍然较少,尤其是大动物的体内研究和临床研究。虽然应用组织工程技术有着诸多优点,在上颌窦提升植骨中具有一定的可行性,但是对于上颌窦提升效果的评价,植入材料的转归,上颌窦提升成功的定义等问题仍未明确,有待于进一步地研究。随着材料学及生物学的发展,骨组织工程技术将成为一种重要的技术应用于上颌窦提升植骨材料中,以期获得充足的骨量,快速的成骨效果以及种植体的长期稳定。

编辑: 陆美凤

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