殼聚糖在口腔頜面組織工程修復中的研究現(xiàn)狀

王苗，張風河

（山東大學口腔醫(yī)院，濟南250012）

1 引 言

殼聚糖是由自然界廣泛存在的幾丁質經過脫乙酰作用后得到的天然陽離子多聚糖，其分子結構與細胞外基質中的糖胺聚糖相似，能黏附細胞，易于成膜，殼聚糖降解后可以產生葡萄糖胺和具有抗菌活性的殼寡糖，最終隨機體代謝排出體外，具有優(yōu)良的生物相容性和抗菌性［1］。鑒于以上優(yōu)點，殼聚糖被廣泛應用于組織工程中，近年來在口腔組織再生中成為研究熱點，研究者將殼聚糖及其衍生物與其他材料復合制備出了三維多孔支架和緩釋生長因子的微球及納米微球，進一步促進了口腔組織工程學的發(fā)展。

2 殼聚糖在口腔頜面部組織工程支架中的應用

2.1 骨組織工程支架

骨支架要求既在盡可能提高孔隙率的情況下有足夠的強度，又可被人體降解吸收，且支架材料的降解速度應與新骨形成的速度相匹配，不應在新骨形成之前降解，同時不應阻礙骨組織的形成［2］。殼聚糖結構與骨及軟骨基質中的糖胺聚糖結構相似，無抗原性，能促進成骨細胞的粘附、生長、增殖和分化［3］，動物實驗證實殼聚糖3D多孔支架生物相容性好，易于細胞和新生血管的長入，并能在大鼠皮下和肌內能誘導異位成骨［4］，但由于其強度較低，脆性大，韌性差，降解速度慢，純殼聚糖支架不能滿足骨組織工程支架的要求，可通過與其他材料聯(lián)合制作復合支架。Miranda等發(fā)現(xiàn)殼聚糖與明膠絡合可使前者的強度增大、降解速度加快，通過改變殼聚糖和明膠的比例可以調節(jié)殼聚糖/明膠復合支架的降解速度［5］，由此推斷通過調節(jié)支架中以上兩種材料的比例即可滿足成骨速度不同部位的骨再生性修復；Zeng等［6］制備了絲素蛋白/殼聚糖多孔支架，并通過體外實驗得出40%絲素蛋白、60%殼聚糖復合材料制備的支架最適于成骨細胞的生長，且降解速度穩(wěn)定，對細胞的親和力強，還可促使成骨細胞分泌胞外基質；Saravanan等［7］通過冷凍干燥法制備了殼聚糖/明膠/氧化石墨烯復合支架，實驗證明該支架機械性能顯著提高，可促進大鼠脛骨缺損部位沉積膠原纖維；李婷等［8］利用珍珠層粉能促進細胞成骨性分化的特點，制備了珍珠層粉/殼聚糖多孔支架，提高了支架的機械性能，經實驗表明，當珍珠層粉與殼聚糖的質量比為1：1時復合支架的孔隙率和降解性能最佳。以往的研究發(fā)現(xiàn)羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）與殼聚糖在改善材料生物學活性方面有協(xié)同促進作用［9］，但因其難以降解，有暴露和引發(fā)感染的風險，阻礙了HA在組織工程支架中的應用，近年來納米羥基磷灰石、納米生物陶瓷等的合成，改善了HA的生物學性能，表現(xiàn)出更優(yōu)良的生物相容性和吸附能力，王菲等［10］制備了納米羥磷灰石/殼聚糖/聚丙交酯支架，并通過細胞學實驗證實納米羥磷灰石：殼聚糖：聚丙交酯的質量比為20∶10∶70時表現(xiàn)出良好的成骨誘導性。此外，較新的研究發(fā)現(xiàn)碳納米管在骨組織再生中具有廣闊的應用前景，Ilbasmis-Tamer S等［11］制備了殼聚糖/多壁碳納米管復合支架并研究了其對軟骨細胞系的細胞毒性，得出該支架對軟骨細胞無明顯毒性，生物相容性好，為研究口腔頜面部新型骨組織工程支架奠定了基礎。

2.2 牙周組織工程支架

牙周組織包括牙槽骨、牙骨質以及兩者之間的牙周膜韌帶，因此牙周組織再生包括軟組織再生和硬組織再生，并且支架應該對牙周膜成纖維細胞的排列方向具有引導作用，使最終形成的牙周膜纖維垂直于牙骨質表面分布，且兩端分別埋入牙槽骨和牙骨質中，才能實現(xiàn)功能性的牙周組織再生，這增加了牙周組織工程的難度。Park等［12］通過3D打印技術制備了可引導牙周膜纖維生長方向的多孔支架，該支架具有垂直于牙骨質表面的通孔，雖然新生的牙周膜纖維有一定的方向性，但在微觀結構上，成纖維細胞的排列仍雜亂無章。Jiang等［13］在多孔殼聚糖支架中包埋了ε己內脂-聚乙二醇納米纖維（見圖1），動物實驗證明經納米纖維改進后的多孔殼聚糖支架誘導再生的牙周膜纖維排列更加規(guī)則，但上述實驗均僅在大鼠體內進行試驗，與人體組織相差較大，有待深入研究。

圖1 殼聚糖三維多孔支架包埋聚乙二醇納米纖維的過程［13］Fig 1 The procedure of porous 3D chitosan scaffold embedding polyethylene glycol nanofibers［13］

近年來，細胞膜片技術在牙周組織工程中的應用，無需構建支架即可實現(xiàn)牙周組織再生，但由于細胞膜片的機械性能差，多將其與支架材料或骨引導再生膜聯(lián)合應用以取得較佳效果，因殼聚糖具有良好的成膜性，同時有抗菌和促進血凝塊形成的作用，在制備GBR膜中具有廣闊的發(fā)展前景，如以殼聚糖為基質，包括膠原、羥基磷灰石、多聚糖類等的兩種或多種材料制備成的復合膜。總體上殼聚糖復合膜從單層結構向不均一多層結構發(fā)展，形成具有多種生長因子納米緩釋系統(tǒng)的高質量骨引導再生膜［14-16］。

2.3 神經組織工程支架

神經組織工程支架利用天然或人工合成的導管模擬神經外膜或神經束膜，導管內充填條索狀、細管狀（模擬神經內膜管）或海綿狀物質，作為引導雪旺氏細胞遷移和神經軸突生長的通道。屈振宇等［17］通過用殼聚糖-膠原再生室修復兔面神經缺損的實驗證明殼聚糖-膠原膜能促進面神經生長，并能有效防止與周圍組織黏連、瘢痕形成和神經瘤形成，這主要是因為殼聚糖能促進神經膜細胞和血管內皮細胞的生長分裂，而抑制成纖維細胞的生長［18］。但殼聚糖脆性大，韌性差，F(xiàn)regnan等［19］利用3-縮水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷（3-Glycidoxypropyltrimethoxysilane，GPTMS）對神經導管進行了改進，并經動物實驗證明 GPTMS能增加殼聚糖/磷酸氫鹽神經支架的強度且使降解速度更加平穩(wěn)。Wlaszczuk等［20］制備了由聚乳酸-羥基乙酸共聚物（poly（lactic-co-glycolic acid，PLGA）外膜和殼聚糖海綿狀核心組成的神經支架，發(fā)現(xiàn)殼聚糖分子量改變或微晶結構改變時，相同時間段內神經纖維的再生長度和炎癥反應程度不同。

3 殼聚糖生長因子緩釋系統(tǒng)

由于殼聚糖具有良好的生物相容性、黏附性、輔助滲透性，且在凝膠過程中蛋白質的羧基能與殼聚糖的氨基發(fā)生靜電吸引，故殼聚糖可作為生長因子的載體應用于組織工程。此外，殼聚糖表面具有豐富的功能集團，因此，可通過吸附或包裹兩種方式靈活運載不同藥物，這是其他微球載體所不具備的功能［21］。已有大量研究利用殼聚糖微球或納米微球運載轉換生長因子、骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2、血管內皮生長因子等，并經體外實驗和動物實驗證明殼聚糖生長因子緩釋系統(tǒng)能長期平穩(wěn)地釋放藥物，周慶梅等［22］通過對比實驗表明復合殼聚糖/TGF-β微球的支架能進一步促進犬下頜骨骨組織再生。殼聚糖微球的制備方法較多，如溶劑揮發(fā)法、乳化交聯(lián)法、凝聚法等［23］，如何利用盡可能簡單且對生長因子生物活性破壞小的方法制備形態(tài)規(guī)則、緩釋效果好、具有靶向性的殼聚糖微球緩釋系統(tǒng)是亟待繼續(xù)研究的問題。此外，考慮到口腔組織再生的前提是盡可能控制炎癥反應，為了同時達到控制炎癥和促進細胞生長的目的，需要聯(lián)合使用抗炎藥物和生長因子，但許多一線抗炎藥是疏水性的，而牙源性生長因子是親水性的，單一組份的載體難以同時包埋以上兩種性質相反的藥物，因此，復合載體的研究引起了學者的重視，Niu等［24］構建了殼聚糖/聚乳酸納米微球，為了防止被溶酶體降解，研究者將納米微球在三聚磷酸鹽溶液環(huán)境里組裝成了直徑78μm的微球顆粒（見圖2），并包埋了醋酸氟輕松和骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（BMP-2），體外實驗表明該殼聚糖/聚乳酸微球緩釋系統(tǒng)能平穩(wěn)地釋放藥物，在牙本質再生及牙周組織再生中具有潛在的應用價值。殼聚糖與其他材料復合制作的納米微球還能提高對親水性藥物的包埋率，增強緩釋效果，如Kim等［25］制備了運載BMP-2和胰島素樣生長因子（insulin-like growth factor-1，IGF-1）的殼聚糖/膠原微球緩釋顆粒，通過體外實驗證明所制備的微球載體能顯著提高緩釋系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性，并能降低IGF-1的初始釋放速度從而改善其緩釋性能。

圖2 雙極性殼聚糖-聚乳酸復合微球的制備［24］Fig 2 The preparation of bipolarity chitosan-polylactic microsphere［24］

4 小結

殼聚糖及其衍生物具有優(yōu)良的生物學特性，且廣泛存在于自然界，有巨大的應用價值，近兩年來成為眾多學者的研究熱點，在口腔組織再生醫(yī)學中的研究價值也日益突出。殼聚糖多孔復合支架可用于頜面部骨組織再生、牙周組織再生、神經組織再生等諸多領域，其機械強度較單純的多聚糖類支架明顯提高，且能抵抗感染、促進種子細胞的黏附。生長因子作為組織工程必不可少的三因素之一，應保證能在體內緩慢持續(xù)釋放，即生長因子緩釋系統(tǒng)，隨著對殼聚糖的生化及物理特性的認識不斷加深，研究者發(fā)現(xiàn)了殼聚糖作為生長因子載體的諸多優(yōu)點，并對制備方法和微粒結構作了一系列改進，使殼聚糖生長因子緩釋系統(tǒng)日趨成熟。將以上殼聚糖復合支架和納米微球緩釋系統(tǒng)結合可進一步改善殼聚糖支架的生物降解性且表現(xiàn)出優(yōu)良的促組織再生的能力，并有望通過引入溶菌酶緩釋系統(tǒng)或磷酸鹽緩沖系統(tǒng)加快或減慢殼聚糖支架的降解速度［26］，從而實現(xiàn)支架的“可控性”降解。