殼聚糖復合材料修復口腔頜面組織缺損的研究進展*

劉子琦 張 斌

殼聚糖（CS）作為天然多糖甲殼素脫除部分乙酰基的產物，主要分布于許多海洋低等動物特別是節肢動物如蝦、蟹、昆蟲等外殼，也存在于低等植物如菌藻類和真菌的細胞壁中［1］。其常作為藥物和生長因子的載體，用以修復口腔頜面骨組織及神經組織缺損。殼聚糖還具有較高金屬結合性能，可作為涂層結合于金屬鈦表面，在牙齒種植領域具有較大應用潛力。本文結合殼聚糖的新近文獻，對其相關的作用機制及應用效果做一綜述，并展望以殼聚糖為主要成分的復合材料在修復口腔頜面組織缺損領域的應用前景。

1.骨組織的修復

口腔頜面部感染、復雜骨折等因素均可造成頜骨缺損。目前，缺損區骨組織重建主要依靠骨移植，其黃金標準是自體骨移植［2］。但可供移植骨的部位有限，且會造成原來健康部位的損傷，這些因素都限制了自體骨移植的應用［3］。而免疫反應又限制了異體骨移植的應用。因此臨床上對優良生物性能的骨修復材料有著迫切的需求。殼聚糖結構中的N-乙酰基葡萄糖胺存在于細胞外基質中的糖胺聚糖中，其結構類似于糖胺聚糖，能促進成骨細胞的粘附、生長、增殖和分化［4］。但純殼聚糖支架脆性大、韌性差，所以將殼聚糖與其他材料聯合制作成復合支架是修復骨缺損的理想選擇［5］。

近年來，為了模仿天然骨骼的機械特性和生物學特性，研究人員已經開發了各種基于殼聚糖的有機-無機復合材料用于骨組織修復。Zeng等［6］通過冷凍干燥和化學交聯法制備了不同組成比例的絲素蛋白（SF)/殼聚糖復合材料。SF和CS均無毒且具有良好的生物相容性，經實驗室驗證，40%SF-60%CS的復合支架可能是一種良好的骨組織工程材料，其降解速度穩定、有利于細胞黏附，還可促使進成骨細胞分泌胞外基質［6］。石墨烯、氧化石墨烯［7,8］和碳納米管［9,10］等碳基材料與殼聚糖結合，應用于骨組織工程。這些材料的優異力學性能可增強支架強度。Aidun等制備了電紡殼聚糖-聚己內酯-膠原三元氧化石墨烯復合支架。體外實驗表明，隨著氧化石墨烯含量的增加，支架的親水性、生物活性以及細胞的附著和增殖能力也相應增加。

受天然生物的生物礦物成分的啟發，與殼聚糖形成復合材料的無機成分通常是天然生物礦物，最常見的是羥基磷灰石［11］。對于殼聚糖-羥基磷灰石復合支架的研究一度較為廣泛［8］。而在殼聚糖-羥基磷灰石復合支架的基礎上再混入其他物質，是近年來的研究趨勢。Jolly等將具有生物活性的海棗籽與殼聚糖-羥基磷灰石復合支架整合，形成納米復合支架，在體內外實驗中證實其生物相容性和機械性能均顯著提高［12］。在大鼠顱骨缺損的模型中，植入此支架的骨缺損部位早期就有明顯的骨形成。Wu等［13］將負載阿侖膦酸鈉（AL）的殼聚糖/羥基磷灰石微球加入聚乳酸/納米羥基磷灰石基質中，制備成新型微球-支架雜化系統。采用放射學和組織學方法評價了兔橈骨大段缺損的體內骨修復效果，含10%微球的支架在8周內完成了骨缺損修復，與對照組相比效果更佳。Wang等［14］采用冷凍干燥法制備了載鋅碳納米管/殼聚糖復合生物材料。在修復大鼠顱骨缺損的實驗中取得了良好效果。含鋅復合生物材料具有良好的力學性能和骨誘導性能力。1%鋅碳納米管/殼聚糖對大鼠顱骨缺損的成骨效果最佳［14］。

動物實驗方面，Tong等［15］制備了兔下頜骨缺損模型，將轉化生長因子-β1-絲素蛋白-殼聚糖復合支架植入兔下頜骨內，組織學和顯微放射學觀察結果表明，轉化生長因子-β1-絲素蛋白-殼聚糖復合支架與宿主骨具有良好的生物相容性和廣泛的骨傳導性。李曉靜等［16］采用真空冷凍干燥技術將殼聚糖和膠原按不同比例混合，將制成的膜材料覆蓋于犬下頜骨的頰側裂隙狀缺損模型處, 以觀察其引導骨修復再生效果。在8和12周，應用該膜的動物模型新生骨高度顯著高于空白對照組，但該膜的強度和屏障功能需進一步研究以改善。臨床試驗方面，Gupta等［17］對27例無癥狀的下頜對稱第三磨牙同時拔除，將殼聚糖敷料放入一側的拔牙創內作為實驗組。術后以X線評價拔牙窩的骨密度。結果顯示，術后2周和術后3個月實驗組拔牙創骨密度絕大多高于對照組，這說明殼聚糖可促進拔牙創的愈合和早期成骨。

2.神經組織的修復

目前面神經損傷的修復方法可分為兩大類，即顯微外科技術和神經導管技術［18］。但手術創傷及并發癥、供受區神經匹配及功能恢復不足限制了顯微外科技術的應用。由于殼聚糖具有良好的生物相容性、生物降解性、易獲得性和抗菌活性，已被廣泛應用于周圍神經修復。殼聚糖能夠支持軸突再生［19］，減少廣泛瘢痕形成，促進功能恢復［20］，防止周圍神經損傷后神經瘤的形成［21］，這表明殼聚糖在神經重建手術中的應用潛力。

Wang等［22］在2006年通過工業編織工藝，將殼聚糖纖維紗線首次用于制造多孔的中空管，作為支架的外壁。體外表征顯示，該支架具有合適的機械強度、多孔性、膨脹性和生物降解性，可用于神經組織工程。但單純殼聚糖支架脆性大，韌性差，交聯法為殼聚糖在周圍神經再生領域的成功應用提供了足夠的力學性能。Cheng等［23］制備了一系列含不同組分明膠的殼聚糖-明膠復合膜，力學實驗表明，濕潤狀態下的復合膜比單純殼聚糖膜具有更低的楊氏模量和更高的拉伸斷裂率。所有復合膜均為親水材料。該方法的主要優點是制備簡單、成本低、機械性能和神經細胞親和力都有一定改善。Fregnan等［24］采用溶劑澆鑄技術將磷酸二鈉（DSP）與殼聚糖（CS）交聯制成CS/DSP神經支架，通過體內實驗證明交聯生物膜促進大鼠背根神經節細胞的黏附，誘導施萬細胞樣形態，支持神經突起的生長。其效果接近神經自體移植。

殼聚糖的乙酰化程度也被證明是一個相關的因素，乙酰化程度影響著再生支持細胞（例如施萬細胞）的存活、增殖和細胞活性［25］。Carvalho等［25］制備了三種不同乙酰化程度的殼聚糖膜，研究證實與乙酰化程度為1%和2%的膜相比，乙酰化程度為5%的膜硬度變弱、彈性增強。這不僅表明施萬細胞與成纖維細胞相比在這種基質上黏附性更好，也闡明了高乙酰化殼聚糖生物膜的效果明顯更好。此外，不同成分的水凝膠，如透明質酸水凝膠［26］、纖維蛋白納米纖維水凝膠［27］或辛伐他汀/Pluronic F-127水凝膠［28］經常被用來與殼聚糖管結合使用。應用這些水凝膠作為殼聚糖管的內填充材料，可以促進軸突再生和運動功能恢復。結果表明，殼聚糖與不同成分水凝膠的復合材料具有較好的神經細胞親和力，是一種很有前途的神經再生生物材料。可注射殼聚糖基熱敏水凝膠，具有植入過程中侵入性小、便于細胞的包封［29］和溫和的反應條件［30］等多種優點。通過注射法，水凝膠能夠準確地填充任何不規則缺陷［31］。Zhang等［31］以殼聚糖、羥乙基纖維素、膠原蛋白和β-磷酸甘油酸為主要原料，制備了一種熱敏復合水凝膠，承載骨髓間充質干細胞，用以修復小鼠脊髓神經損傷。包裹在復合水凝膠中的骨髓間充質干細胞在5天后的存活達到90%以上。

在動物實驗方面，Liu等［32］將兔的腮腺淺葉完全切除，以殼聚糖和透明質酸覆蓋面神經斷端。在術后4周、6周和12周后通過觸須運動試驗、神經電生理檢查和神經外檢查等手段評估面神經恢復情況。發現雖然實驗組的神經纖維較多，髓鞘較厚，神經傳導速度較快。但差異無顯著性（P＞0.05)。這說明殼聚糖改性的必要性。殼聚糖-β-甘油磷酸酯-神經生長因子水凝膠［33］和殼聚糖聯合自體富血小板血漿神經導管［34］在兔面神經損傷模型中均有更出色的表現，觸須運動恢復率和面神經復合肌肉動作電位與自體移植修復組相近，明顯優于單純神經生長因子組。

3.牙體組織的修復

殼聚糖因其出色的抗菌性能，在修復牙體缺損、牙列缺損等方面表現突出。牙體種植作為目前較理想的牙列缺損的修復方式已被越來越廣泛的應用。骨結合是衡量種植成功與否的重要標志。然而，種植體金屬的表面惰性使其不能與周圍骨組織發生良好的骨結合。同時，細菌的粘附往往會引起種植體周圍炎導致修復失敗。殼聚糖良好的生物相容性，可降解性，無毒性及抗菌活性使其常作為金屬表面涂層應用于牙體種植領域。此外，近年來殼聚糖還被應用于義齒粘接劑、蓋髓劑等領域。豐富了殼聚糖修復口腔頜面組織缺損的范圍。

Cai等［35］和Ordikhani等［36］分別制備了四環素-殼聚糖明膠納米球涂層和古霉素-殼聚糖復合物涂層，并應用電泳沉積法（EPD）將制備的復合材料沉積到鈦金屬表面。他們均發現涂層中藥物的釋放曲線早期出現突釋，之后能維持穩定，且能有效的殺滅周圍細菌。極化電化學腐蝕研究表明，涂有藥物涂層的鈦金屬的腐蝕電流密度明顯低于未涂覆涂層的對照組。Dicarlo等［37］通過電化學技術在鈦上制備了鎵改性的殼聚糖-聚丙烯酸涂層。并通過電化學沉積時間調整雙層中的鎵負載，以確定抗菌活性和細胞相容性之間的最佳平衡。殼聚糖充當鎵金屬抗菌劑的載體，聚丙烯酸促進涂層粘附，二者相輔相成。Chen等［38］采用逐層自組裝技術將殼聚糖-兒茶酚、凝膠及羥基磷灰石納米纖維沉積在鈦金屬種植體表面。體內實驗結果表明，該復合涂層可誘導微環境變化從而促進間充質干細胞的黏附和增殖，促進骨愈合過程中成骨和血管生成。另外還有硅烷偶聯劑化學改性法、物理吸附法、等離子噴涂法等。但這些涂層方法存在制備方法復雜、制備成本高、涂層易剝脫、生物分子釋放量難以控制等弊端。

實驗室證實，高分子水溶性殼聚糖生物相容性好，可以抑制白色念珠菌的黏附，有望成為抗真菌義齒的粘合劑［39］。加入三氯沙改性后的殼聚糖粘接劑除了具有長期的抗菌活性外，還能促進牙本質-粘接面穩定，對邊緣封閉有積極影響［40］。此外，殼聚糖基水凝膠最近被用于牙髓再生，它們可以促進牙髓干細胞和骨髓間充質干細胞在體內外的增殖、遷移和成牙本質分化。殼聚糖有望成為新一代適合臨床應用的蓋髓劑［41-43］。

4.展望

殼聚糖是自然界僅次于纖維素的第二大豐富的生物聚合物，分布十分廣泛。因其良好的生物降解性、生物相容性、無毒性、抑菌作用，被廣泛應用于口腔頜面組織缺損的修復中。早期，學者將無機物通過簡單的機械方式（如超聲分散）混合到殼聚糖中，然而，由于有機基質和無機物之間缺乏分子間相互作用，用這種方法制備的復合材料是非均質的。近年來，仿生技術使用有機分子（蛋白質、多肽、膠原、聚合物等）作為模板，通過模擬生物自然過程，有效地調節無機物的晶體生長、相變和顆粒組裝過程，從而合成有機-無機雜化材料，模擬骨骼和牙齒等天然組織的復合殼聚糖［44］。探索更優良的交聯材料、更適宜的混合比例是未來殼聚糖應用于口腔頜面組織缺損修復的發展方向。