骨組織工程應(yīng)用于頜骨缺損修復(fù)的研究進(jìn)展

隋曉棟　馮爽　李丹

【摘要】 頜面部大面積骨缺損的修復(fù)是口腔頜面外科手術(shù)的一大難題。目前臨床常用的修復(fù)方式包括：贗復(fù)體修復(fù)、血管化骨肌瓣移植、同種異體骨移植等技術(shù)。近年來(lái)，隨著骨組織工程技術(shù)研究的逐步深入，為修復(fù)頜骨缺損帶來(lái)了新的思路。

【關(guān)鍵詞】 骨組織工程； 支架材料； 成骨因子

doi：10.14033/j.cnki.cfmr.2017.1.084 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6805（2017）01-0150-02

【Abstract】 The repair of large area bone defect in the maxillofacial region has been a major problem in oral and maxillofacial surgery.At present，the methods of repairing in clinic includs prosthesis prosthesis，vascularized bone flap transplantation，allograft bone transplantation，and so on.In recent years，with the deepening of the research of bone tissue engineering，it brings a new way of thinking for repairing jaw defects.

【Key words】 Bone tissue engineering； Scaffold material； Osteogenic factor

First-authors address：Binzhou Medical University，Binzhou 264003，China

骨組織工程是利用醫(yī)學(xué)原理與工程技術(shù)結(jié)合[1]，將體外培養(yǎng)及擴(kuò)增后得到的種子細(xì)胞，接種于具備良好生物相容性且能夠吸收降解的支架材料上，輔以誘導(dǎo)因子誘導(dǎo)細(xì)胞的增殖以及新血管的長(zhǎng)入，逐漸達(dá)到修復(fù)骨缺損的目的的一種修復(fù)方式[2]。目前實(shí)驗(yàn)室已在種子細(xì)胞選擇、支架材料選取、細(xì)胞與支架材料結(jié)合及血管化等方面取得了較大進(jìn)步，但是存在的問(wèn)題也不能忽視。

1 載體材料

優(yōu)良的支架材料可促進(jìn)種子細(xì)胞的黏附與增殖，具有與組織細(xì)胞生長(zhǎng)相一致的生物降解性。目前，人工合成材料、天然衍生材料和復(fù)合支架材料是臨床實(shí)驗(yàn)階段常用的骨組織工程支架材料。

1.1 人工合成材料支架

人工合成無(wú)機(jī)材料中廣泛應(yīng)用于骨替代材料的是羥基磷灰石為代表的磷酸鈣陶瓷，機(jī)體對(duì)這類材料的免疫抑制較輕，但此類材料存在脆性強(qiáng)、可塑性差、在機(jī)體難以降解等缺點(diǎn)。對(duì)于人工合成材料的改進(jìn)，Young等通過(guò)快速反應(yīng)燒結(jié)結(jié)合壓緊呈盤(pán)技術(shù)構(gòu)建了鈣鋁黃長(zhǎng)石多空陶瓷材料支架，通過(guò)與傳統(tǒng)雙相磷酸鈣陶瓷支架相比，成骨細(xì)胞的黏附及增殖率顯著提高，同時(shí)檢測(cè)到成骨基因（RunX2、骨鈣素、骨橋蛋白、骨涎蛋白）等的較高表達(dá)水平[3]。與傳統(tǒng)無(wú)機(jī)材料降解性較差不同，該材料能夠促進(jìn)形成抗酒石酸酸性磷酸酶從而激活骨髓細(xì)胞產(chǎn)生多核破骨細(xì)胞，增強(qiáng)了支架材料的可降解性。

1.2 天然衍生支架材料

天然衍生支架材料等高分子材料具備良好的可塑形，可根據(jù)需要制成頜骨缺損的復(fù)雜形態(tài)。Ren等[4]應(yīng)用聚乳酸-羥基乙酸共聚物制造出約100～250 ?m孔徑的支架材料與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞復(fù)合培養(yǎng)修復(fù)兔下頜骨缺損，發(fā)現(xiàn)術(shù)后3個(gè)月下頜骨缺損完全修復(fù)。雖然高分子材料可以用于骨組織工程材料，但其較差的機(jī)械強(qiáng)度，不易有效的與細(xì)胞因子信號(hào)識(shí)別等缺點(diǎn)也同樣不能忽視。

1.3 復(fù)合支架材料

目前對(duì)單一類型支架材料的研究從未停止，但單一支架材料的固有缺陷常常難以克服[5]。隨著基礎(chǔ)研究和修復(fù)重建材料的進(jìn)步，利用先進(jìn)手段將有機(jī)/無(wú)機(jī)材料整合成為復(fù)合支架材料在實(shí)際應(yīng)用中獲得了很好的修復(fù)效果。

現(xiàn)常用的復(fù)合材料主要有生物陶瓷材料與天然高分子材料的復(fù)合、納米羥基磷灰石與膠原復(fù)合等[6]。康獻(xiàn)剛等[7]通過(guò)將同種異體骨粉與高分子材料殼聚糖結(jié)合制成復(fù)合多空支架，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組單純殼聚糖制備的支架相比，冷凍干燥制備的復(fù)合多孔支架在新生骨量以及成骨速度方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。此實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的復(fù)合支架材料克服了單一殼聚糖支架不具備成骨作用的缺陷，具有良好孔隙率，有利于細(xì)胞的黏附和新血管的形成，為成功修復(fù)各種復(fù)雜形態(tài)頜骨缺損提供了良好的應(yīng)用前景。

近年來(lái)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域開(kāi)展的3D打印技術(shù)[8]，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，該技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用于口腔種植、骨科、口腔頜面外科手術(shù)中。在3D打印技術(shù)的輔助下，制備的生物支架材料可實(shí)現(xiàn)孔徑、孔隙率、貫通性的調(diào)控，同時(shí)具備精度高及可重復(fù)性等優(yōu)勢(shì)。張海峰等[9]運(yùn)用3D打印技術(shù)構(gòu)建聚乳酸（PLA）-羥基磷灰石（HA）復(fù)合支架并在新西蘭大白兔單側(cè)脛骨內(nèi)側(cè)建立體內(nèi)生物反應(yīng)器模型，結(jié)果生成了較多的新生骨組織并且骨小梁的排列致密。可見(jiàn)結(jié)合3D打印技術(shù)的復(fù)合材料能在體內(nèi)生物反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)建性能較好的組織工程骨。

2 種子細(xì)胞

種子細(xì)胞是骨組織工程中生物活性的來(lái)源，理想的種子細(xì)胞應(yīng)該具有成骨潛能，優(yōu)良的增殖和分化能力，細(xì)胞易于獲取無(wú)致瘤性傾向等特性。

2.1 骨髓來(lái)源種子細(xì)胞

骨髓中含有間充質(zhì)干細(xì)胞，在一定條件的誘導(dǎo)下能增殖分化成骨組織，屬于多潛能干細(xì)胞。Shen等[10]構(gòu)建犬自體髂骨骨塊復(fù)合骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞膜片作為實(shí)驗(yàn)組，單純?nèi)泽w髂骨骨塊作為對(duì)照組，分別植入到上頜骨兩側(cè)骨缺損縫隙中，觀察比較兩組術(shù)后的骨吸收率，骨小梁密度等指標(biāo)。結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)組犬上頜缺損裂隙中新形成骨的骨體積分?jǐn)?shù)以及骨密度高于對(duì)照組。此實(shí)驗(yàn)也證明骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞膜片有促進(jìn)新骨形成的潛力。

2.2 其他來(lái)源種子細(xì)胞

由于脂肪、肌肉、外周血等組織同樣可分離出間充質(zhì)干細(xì)胞且增殖能力優(yōu)于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，同時(shí)具有來(lái)源廣泛獲取時(shí)創(chuàng)傷小等優(yōu)勢(shì)被越來(lái)越多的運(yùn)用到骨組織工程[11]。Feng等[12]通過(guò)構(gòu)建β-磷酸三鈣支架結(jié)合脂肪干細(xì)胞，應(yīng)用富含血小板血漿（PRP）提供細(xì)胞因子構(gòu)建組織工程骨作為實(shí)驗(yàn)組修復(fù)兔下頜骨缺損，不加入脂肪干細(xì)胞，只將β-磷酸三鈣支架及富含血小板血漿（PRP）的支架材料作為對(duì)照組。術(shù)后半年檢測(cè)骨體積分?jǐn)?shù)、骨密度等指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組均高于對(duì)照組。此實(shí)驗(yàn)提示新型脂肪干細(xì)胞/β-磷酸三鈣支架（β-TCP）/富含血小板血漿（PRP）復(fù)合物可應(yīng)用于頜骨修復(fù)及組織工程當(dāng)中。

3 生長(zhǎng)因子

種子細(xì)胞的生長(zhǎng)、分化受很多信號(hào)共同參與調(diào)控。其中，生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子、生長(zhǎng)抑制因子等共同參與了這一系統(tǒng)調(diào)控。目前研究者多是運(yùn)用基因工程技術(shù)構(gòu)建病毒或非病毒載體，將具有成骨能力的基因轉(zhuǎn)染至種子細(xì)胞內(nèi)，通過(guò)細(xì)胞增殖實(shí)現(xiàn)成骨能力基因的大量表達(dá)，促進(jìn)局部成骨。

人骨形態(tài)發(fā)生蛋白7（hBMP-7）是最早應(yīng)用于臨床的BMP，BMP-7主要通過(guò)誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞內(nèi)的轉(zhuǎn)錄因子Run字2和Osterix的表達(dá)，實(shí)現(xiàn)向成骨細(xì)胞的分化[13]。汪衛(wèi)國(guó)等[14]利用AdEasy腺病毒，構(gòu)建了攜帶人骨形態(tài)發(fā)生蛋白7（hBMP-7）基因的重組腺病毒載體，經(jīng)體外轉(zhuǎn)染實(shí)驗(yàn)，觀察復(fù)合犬骨髓基質(zhì)干細(xì)胞（DMSCs）的珊瑚羥基磷灰石（coral hydroxyapatite，CHA）支架在修復(fù)下頜骨缺損的效果，結(jié)果顯示材料與周圍骨質(zhì)緊密結(jié)合，最終形成的組織呈現(xiàn)交織狀骨組織學(xué)特征。

人工合成神經(jīng)多肽P物質(zhì)（SP）是一種小分子多肽，是動(dòng)員干細(xì)胞和促進(jìn)創(chuàng)傷修復(fù)的重要分子，體外人工合成方便易得，并且沒(méi)有不良藥理作用或遺傳毒性，王天玨等[15]構(gòu)建自固化磷酸鈣（CPC）-明膠-SP復(fù)合組織工程材料支架植入兔下頜骨狀缺損模型當(dāng)中觀察支架形態(tài)與骨愈合情況，通過(guò)與對(duì)照組固化磷酸鈣（CPC）-明膠復(fù)合支架植入后頜骨缺損修復(fù)情況相比，加載活性物質(zhì)SP后，能夠在材料內(nèi)、外部釋放多肽生物活性，從而發(fā)揮自主誘導(dǎo)機(jī)體干細(xì)胞動(dòng)員的能力，Micro CT顯示實(shí)驗(yàn)組周圍骨質(zhì)愈合良好，且材料內(nèi)成骨效率優(yōu)于對(duì)照組。此實(shí)驗(yàn)也證實(shí)人工合成神經(jīng)多肽P物質(zhì)能夠促進(jìn)種子細(xì)胞在體內(nèi)的成骨化。

4 存在問(wèn)題與展望

口腔頜面部有著特殊的解剖生理外形，身處多種微生物環(huán)境之中，這些都增加了骨組織工程修復(fù)頜骨缺損的難度，在繼續(xù)發(fā)展和完善骨組織工程三大技術(shù)的同時(shí)，對(duì)于阻礙和影響骨組織工程發(fā)展的相關(guān)技術(shù)的解決以及涉及到骨組織工程發(fā)展的相關(guān)政策法規(guī)、醫(yī)療產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定等，仍是骨組織工程工作者努力的方向。

參考文獻(xiàn)

[1]黃旭，劉建華.口內(nèi)入路下頜骨良性腫瘤切除同期自體骨移植修復(fù)重建術(shù)的臨床研究[J].中國(guó)修復(fù)重建外科雜志，2014，28（2）：192-196.

[2] Venkatesan J，Kim S K.Chitosan composites for bone tissue engineering-an overview[J].Mar Drugs，2010，8（8）：2252-2266.

[3] Roohani-Esfahani S I，No Y J，Lu Z，et al.A bioceramic with enhanced osteogenic properties to regulate the function of osteoblastic and osteocalastic cells for bone tissue regeneration[J].Biomed Mater，2016，11（3）：035018.

[4] Ren T，Ren J.The bone formation in vitro and mandibular defect repair using PLGA porous scaffolds[J].Biomed Mater Res A，2005，74（4）：562-569.

[5] Pu Y，Wu H，Lu S，et al.Adiponectin Promotes Human Jaw Bone Marrow Stem Cell Osteogenesis[J].Dental Research，2016，3（26）：1-7.

[6]趙天源，孫紅.骨組織工程支架材料及其血管化的研究進(jìn)程[J].中國(guó)組織工程研究，2013，17（38）：6832-6838.

[7]康獻(xiàn)剛，趙智遠(yuǎn).殼聚糖-同種異體骨粉復(fù)合多孔支架修復(fù)大鼠骨缺損的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)修復(fù)重建外科雜志，2016，30（3）：298-302.

[8] Bandyopadhyay A，Das S.3D printing of biomaterials[J].MRS Bull，2015，40：108-115.

[9]張海峰，杜子婧，毛曦媛，等.3D打印PLA-HA復(fù)合材料構(gòu)建組織工程骨的實(shí)驗(yàn)研究[J].國(guó)際骨科學(xué)雜志，2016，37（1）：57-63.

[10] Shen Y，Ma H Y.Bone mesenchymal stem cell sheet transplantation combined with autologous iliac bone for repair of alveolar cleft[J].Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu，2014，18（50）：8108-8112.

[11] Kern S，Eichler H.Comparative analysis of mesenchymal stem cells from bone marrow umbilical cord blood， or adipose tissue[J].Stem Cells，2006，24（5）：1294-1301.

[12] Feng Z H，Liu J Q.Biotin-avidin mediates the binding of adipose-derived stem cells to a porous β-tricalcium phosphate scaffold：Mandibular regeneration[J].Experimental and Therapeutic Medicine，2015，11（22）：737-746.

[13] Xiao Y T，Xiang L X.Bonemorphogenet[J].Biochem Bionphys Res Communun，2007，362（3）：550-560.

[14]汪衛(wèi)國(guó)，李偉奇，鄧詠華，等.hBMP-7基因修飾犬骨髓基質(zhì)干細(xì)胞復(fù)合珊瑚羥基磷灰石修復(fù)下頜骨缺損[J].口腔醫(yī)學(xué)研究，2015，31（1）：4-6.

[15]王天玨，吳迪.P物質(zhì)促進(jìn)磷酸鈣-明膠復(fù)合材料支架修復(fù)頜骨缺損的研究[J].口腔醫(yī)學(xué)，2015，12（35）：999-1002.

（收稿日期：2016-09-22）