改良介孔生物活性玻璃在颌面部骨缺损修复中的研究进展

2018-4-25 10:04  来源:国际口腔医学杂志
作者:汪洋 申玉芹 于文雯 孙新华 阅读量:17199

    由炎症、损伤、肿瘤、先天畸形和增龄等各种原因引起的牙槽骨吸收与颌面部骨缺损等是口腔医学领域常见的临床表现,不仅影响咀嚼、发音、进食等功能,而且还严重影响患者的身心健康和生存质量。因此,如何实现对各种疾病所致的骨缺损的良好修复,从而提高患者的生存率及生活质量,是当今学者共同面临的课题。介孔生物活性玻璃是一类具有多孔径结构,能够对机体组织进行修复、替代与再生,且能使组织和材料之间形成键合作用的生物活性材料。

    以往多数介孔生物活性玻璃存在颗粒难分散,微纳米结构、形态以及尺寸大小难控制等缺陷,导致材料稳定性差、微纳米效应难发挥。针对这些问题,研究者通过调整元素构成、改善研制方法等手段,对介孔生物活性玻璃进行改良,优化其结构,制备出性能优异的改良介孔生物活性玻璃,并将其应用于骨骼修复、口腔颌骨缺损修复、皮肤创口修复等方面。本文就改良介孔生物活性玻璃在颌面部骨缺损修复中的应用进行综述。

    1.改良介孔生物活性玻璃的构成元素

    传统的生物活性玻璃的主要构成元素为钙(Ca)、磷(P)、硅(Si),研究者在此基础上掺入硼(B)、钴(Co)、铜(Cu)、钛(Ti)等元素,以提高其利于成骨等生物学性能。例如Kaur等通过掺入B来提高介孔生物活性玻璃的矿化速率,B加入后能够形成B2O3SiO2和B2O3,二者为网络生成体氧化物,结构单元分别为硼氧三角体和硅氧四面体。此结构容易形成断裂,从而提高了改良介孔生物活性玻璃的比表面积、孔体积、孔径以及Ca离子吸出率。高的Ca离子溶出率对羟磷灰石的沉积起促进作用,进而促进矿化。

    近期有学者发现,掺入Co离子可营造低氧环境,以诱导作为促进血管生成的关键转录因子的低氧诱导因子(hypoxia inducible factor,HIF)以及血管内皮生长因子(vascular endothelial growthfactor,VEGF)的过表达,从而为骨组织缺损处提供血供,促进骨组织的形成。抗感染是骨缺损修复中至关重要的一部分。研究发现,掺入Cu或Ti离子的生物活性玻璃,能起到杀菌的作用。与此同时,Cu离子还能有效促进血管生成,从而为骨组织缺损处提供血供利于成骨。

    2.改良介孔生物活性玻璃的研制方法

    采用融熔烧结法制备的生物活性玻璃在20世纪70年代初被研制,目前已成功应用于临床治疗的产品有Perio Glas®、ERMI®、NovaBoneTM,其中Perio Glas®可用于牙周缺损修复、颌骨囊肿摘除后骨缺损填充、牙槽嵴增高及人工种植牙根周围固定;ERMI®可用于拔牙后牙陷窝填充;NovaBoneTM可用于四肢及脊椎骨修复。此方法制备的生物活性玻璃,由于受高温条件的限制,稳定性能相对较差。

    在20世纪90年代,研究者采用溶胶凝胶法制备出生物活性玻璃。此方法操作简便,对材料结构可进行设计剪裁,然而其颗粒难以分散,大小难以均一化,以致比表面积及孔容均较小,不利于发挥较好的成骨作用。20世纪90年代末,研究者通过模板法制备出有序介孔生物活性玻璃。Zhao所在课题组采用有机模板自组装技术制备出高度有序介孔生物活性玻璃,其具有更大的比表面积及成骨活性。随着研究的不断深入,近年来在医药领域微纳米生物材料成为发展方向,Hong等在静电纺丝技术的基础上,以P123共聚物为模板,制备了微纳米有序介孔生物活性玻璃,其具有可调的体外生物矿化性质以及药物释放能力,可用于颌面部骨缺损修复中的药物载送。

    3.改良介孔生物活性玻璃在颌面部骨缺损修复中的作用机制

    近年来,改良介孔生物活性玻璃应用于颌面部骨缺损修复的机制研究日益完善。其反应机制主要包括3个方面。

    1)最先改良介孔生物活性玻璃与骨组织表面发生化学键合。此时改良介孔生物活性玻璃中的Na+、Ca2+与体液中的H+迅速交换,导致玻璃结构中Si-O键断裂,形成硅羟基,Si-OH键进一步发生缩合反应,在改良介孔生物活性玻璃表面生成一层富SiO2凝胶层。因体液中的H+与玻璃中的Na+、Ca2+发生了交换,体液呈弱碱性,在弱碱性环境中,改良介孔生物活性玻璃表面的富SiO2凝胶层带负电,能吸附Ca2+,形成非晶态的磷灰石层。随着体液中OH-、CO32-释放,进而形成类骨磷灰石,从而吸附胶原和细胞,参与生命过程。

    2)改良介孔生物活性玻璃中的活性成分逐步释放,如硅、钙、磷离子可以增强改良介孔生物活性玻璃界面细胞的反应,促进成骨细胞及其前体的增殖、分化;刺激宿主骨中的骨原细胞进行基因表达,使编码骨形成蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)的基因BMP-2以及成骨相关基因(编码X胶原蛋白、骨钙素、骨涎蛋白、碱性磷酸酶等的基因)表达显著增高,从而加快成骨细胞分裂,促进生长因子和细胞外基质的生成,进而促进骨再生。

    3)改良介孔生物活性玻璃能够促进血管生成,如Co2+的加入能够促进血管内皮细胞的黏附、增殖和内皮血管的生成,以及成纤细胞中的血管再生生长因子的分泌,从而为骨组织的形成提供血供,防止败血症的发生,以利于新骨的形成。

    4.改良介孔生物活性玻璃在颌面部骨缺损修复中的应用

    生物活性玻璃以往主要用于临床骨缺损的修复,而口腔颌面部骨缺损的修复却鲜有报道,近年来许多学者致力于这方面的研究。改良介孔生物活性玻璃在颌面部领域将有可观的研究前景。

    4.1 颌骨囊肿所致骨缺损修复中的应用

    颌骨囊肿是口腔科常见的导致骨缺损的病变,为了使此类患者的骨缺损得到良好的修复,张学广将胶原膜及改良介孔生物活性玻璃联合用于颌骨囊肿治疗,临床效果满意。研究发现,引导性组织再生术与生物活性玻璃的联合应用可以发挥各自的特点,以不同的方式促进骨组织的愈合,术后未发现局部组织肿胀等不良反应。

    4.2 颌面部精细部位骨重建中的应用

    颌面部结构复杂,许多精细结构缺损后对修复效果的要求相对更高。目前,许多学者从事颌面部精细部位缺损修复的研究。Stoor等最近研究出新型的改良介孔生物活性玻璃用于眶底重建,研究中并未发现术后并发症,且生物相容性良好,改良介孔生物活性玻璃能够形成解剖学的滴状形态,从而能够保持眼眶容积。同时,vanGestel等将此材料用于鼻中隔穿孔患者术后骨愈合和骨髓炎的治疗,发现治愈率达到10/11、22/23,其中1例失败原因为脑垂体手术后的完全中隔穿孔,并且其他病例未见材料吸收,效果较好,可见改良介孔生物活性玻璃用于鼻中隔穿孔修复不失为一种较好的选择;将颗粒状改良介孔生物活性玻璃与髂骨顶自体骨碎片结合提升上颌窦底,经检查可见自体骨与生物活性玻璃结合后较单纯自体骨修复形成的新骨厚,此种方法可以减少自体骨的使用,同时获得了更好的效果。相信通过更加深入的研究有望将改良介孔生物活性玻璃应用于其他颅面部精细解剖部位的骨重建。

    4.3 颌面部骨髓炎治疗中的应用

    骨髓炎是一种严重的骨感染性疾病,常规治疗方法是手术清创后植入抗菌药缓释珠链,约2周后清除,这给患者带来了二次手术的痛苦。改良介孔生物活性玻璃S53P4因其自带抗菌活性,使整个过程简化。研究者报道了3例改良介孔生物活性玻璃成功治疗慢性骨髓炎的病例,X线片显示缺损周围有新骨形成并与周围骨组织有很好的结合,且其具有促进血管再生的潜质。因此通过大量的临床试验研究后,改良介孔生物活性玻璃将有望广泛应用于骨髓炎导致的骨缺损的修复。

    4.4 颌面部肿瘤术后骨缺损修复中的应用

    颌面部肿瘤术后往往会造成骨质缺损,给患者带来痛苦。为提高患者的生活质量,学者们不断探索颌面部肿瘤术后的修复。Lindfors等研究证实,以改良介孔生物活性玻璃作为支架材料所形成的骨组织,其骨质坚硬,骨皮质较自体骨移植更厚,且软组织周围无异常骨出现,日后有望应用于颌面部肿瘤术后骨缺损的修复。

    4.5 颌面部关节软骨再生中的应用

    随着改良介孔生物活性玻璃用于骨组织缺损修复的不断深入,近期学者们致力于开发其在关节软骨领域的作用。上海硅酸盐所制备的多功能生物活性玻璃体现了该类材料修复骨-软骨的双向功能特性,不仅能够促进关节软骨下骨的修复,同时还能够促进关节软骨缺损的愈合与再生。主要机制为该类材料不仅活化了骨髓基质干细胞的Wnt/β-连环蛋白信号通路,而且激活了软骨细胞的自噬功能。

    5.改良介孔生物活性玻璃在颌面部骨缺损修复中存在的不足

    生物活性玻璃具有良好的生物活性、生物降解性以及促进骨细胞增殖的性能,在骨缺损修复中显现出良好的应用前景,但仍存在着与无机材料同样的缺点,如脆性大,抗弯曲、抗破坏性能不够理想,当在一些大面积骨组织缺损的修复中作为骨组织工程支架材料时,其在力学强度上尚不够理想。目前,已有学者将改良介孔生物活性玻璃与有机材料整合,以提高其力学性能,但仍需进一步研究体内成骨行为及成骨机制、体内降解和新陈代谢行为,相信不久的将来,改良介孔生物活性玻璃将作为支架材料应用于临床。

    生物活性玻璃的研究已有近40年的历史,因其制作工艺简便、材料易获取、成骨性能优异,已应用于临床颌面部骨缺损修复。随着研制工艺及理念的不断革新,其生物活性及成骨性能不断完善,在颌面部骨缺损修复中获得了较为满意的效果。但是,介孔生物活性玻璃在骨组织工程支架材料的应用中仍有待进一步研究。

编辑: 陆美凤

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