劉慧敏，李祥偉

吉林大學口腔醫(yī)學院牙體牙髓科，吉林 長春（130021）

牙髓再生是牙體牙髓領域的研究熱點，再生牙髓血運重建是牙髓再生的瓶頸，而所應用的支架材料又是血運重建的關鍵。本文對促進再生牙髓血運重建所應用支架材料的種類、優(yōu)點及不足等進行綜述，為牙髓再生篩選適合根管解剖特點、容易獲取和應用、生物相容性良好且生物降解率與組織的生成相協(xié)調(diào)的促進牙髓組織血運重建的支架提供依據(jù)。

1 牙髓組織血液供應的特點

牙齒由硬組織（釉質(zhì)、牙本質(zhì)和牙骨質(zhì)）和具有高度血管化并有神經(jīng)支配的疏松的結締軟組織（牙髓）組成。牙髓是一種具有高度再生能力的充分血管化的結締組織，這得益于其獨特的血液供應及祖細胞或未分化間充質(zhì)細胞的存在［1］。血管與豐富的感覺神經(jīng)和交感神經(jīng)一起通過根尖孔進入髓腔，在成牙本質(zhì)細胞層下形成致密的毛細血管網(wǎng)和神經(jīng)叢，以滿足臨近成牙本質(zhì)細胞層和多細胞層內(nèi)細胞的功能需求［2］，這有益于維持牙髓的穩(wěn)態(tài)。

牙髓與牙本質(zhì)在胚胎發(fā)生上聯(lián)系很密切，對外界刺激的應答具有互聯(lián)的效應，是一個整體，被稱為牙髓-牙本質(zhì)復合體。牙本質(zhì)-牙髓復合體能夠修復因齲、磨耗和窩洞預備等引起的牙體組織損傷，表現(xiàn)為第三期牙本質(zhì)的形成，即當發(fā)生低度炎癥時，成牙本質(zhì)細胞通過血管新生和牙本質(zhì)生成途徑促進再生機制，提高牙髓防御能力，形成反應性牙本質(zhì)［3］。如果成牙本質(zhì)細胞死亡，牙髓間充質(zhì)細胞取代它們分化為成牙細胞樣細胞，形成修復性牙本質(zhì)，這些過程均需要牙髓充分的血液供應作為必要前提［4］。因此，牙髓良好的血液供應是牙髓-牙本質(zhì)復合體發(fā)揮生理功能的基礎。

在牙髓再生中，血管生成是牙髓牙本質(zhì)復合體發(fā)育和再生的基礎，通過狹窄的根尖孔尺度建立充分、有效的血液循環(huán)是研究者面臨的巨大挑戰(zhàn)之一［5］。

2 牙髓再生中促進血管化的支架材料和結構

在再生醫(yī)學中應用的功能材料應具有良好的生物相容性和生物學活性，以便為種子細胞附著和在生長因子作用下的細胞分化營造適宜的微環(huán)境。由于根管解剖條件的限制和根管環(huán)境的特殊性，牙髓組織再生中所應用的支架在組織再生中具有關鍵作用，支架材料應當可生物降解，允許細胞附著其表面，促進細胞增殖和分化，并且能夠承受一定的機械壓力，同時植入物也應該能方便地植入根管內(nèi)，并能夠避免植入物發(fā)生松動和其他不良反應［6］。根據(jù)支架材料的來源不同，主要有天然、人工合成和復合材料等。

2.1 應用于血管再生的天然支架材料

2.1.1 殼聚糖 殼聚糖（chitosan，CS）是天然高分子化合物，是甲殼素脫乙?；难苌?，是世界上僅次于纖維素的第二大類多糖材料［7］。甲殼素因溶解性能差而應用受限，殼聚糖的水溶性依賴于pH值，允許在溫和的條件下加工，這使該材料具有廣闊的應用前景［8］。殼聚糖具有可生物降解性和生物相容性，無毒且具有抗菌和黏附性能［7］，是組織支架所必需的一種獨特性能的聚合物，且其降解的產(chǎn)物是一種無毒的低聚糖，可以被排除或結合到糖胺聚糖或糖蛋白中［9］。殼聚糖是唯一一種帶有正電荷的多糖，正電荷數(shù)量增加，細胞與殼聚糖相互作用增加，生物相容性也會改善［8］。由于殼聚糖與細胞外基質(zhì)中糖胺聚糖的結構類似，故用于血管工程的研究［10］。

2.1.2 透明質(zhì)酸 透明質(zhì)酸（hyaluronic acid，HA）是一種天然的普遍存在于身體各部位的糖胺聚糖，在天然組織中控制著細胞增殖、分化和運動［11］。HA在正常組織中起許多作用，包括炎癥發(fā)生、血管生成、腫瘤發(fā)生、水穩(wěn)態(tài)和細胞外基質(zhì)的粘彈性改變，HA的理化性質(zhì)（如溶解性）及活性官能團有助于對HA進行化學修飾，使其成為適用于組織再生的生物相容材料［12］。HA具有非免疫原性、非抗原性、生物相容性與生物學活性［13］。與其他聚合物相比，它具有較強的保水能力，吸水量達到自身體積的千倍［7］。有研究證明，透明質(zhì)酸在其保水能力、為細胞提供營養(yǎng)及清除細胞中的廢物等重要生物學活動中發(fā)揮重要作用［7］。在血管發(fā)育中，透明質(zhì)酸通過調(diào)節(jié)細胞增殖和遷移發(fā)揮重要作用。有研究表明，使用HA水凝膠來監(jiān)測新生血管網(wǎng)形成所需的細胞重塑，HA水凝膠誘導血管內(nèi)皮細胞集落形成液泡和管腔，以及血管的分支和發(fā)芽，逐步形成血管網(wǎng)絡［14］。HA支架也具有一些局限性，如引起異物反應和炎癥反應等，造成HA支架表面物理和化學性質(zhì)的變化，其中，非特異性蛋白吸附可能是引起異物反應的主要原因；同時HA或HA降解產(chǎn)物的異常積聚可對中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷修復產(chǎn)生負面影響［12］。

2.1.3 細菌纖維素 細菌纖維素（bacterial cellulose，BC）是一種由細菌產(chǎn)生的新型生物相容性納米材料［15］，比植物纖維素具有更優(yōu)良的理化特性，具有結晶度、純度高、黏附性好、可塑性好和保水能力強以及生物親和性優(yōu)異等特點［16］。由于人體中沒有可以分解細菌纖維素的酶或強酸微環(huán)境，故不需要擔心細菌纖維素的降解以及其它化學衍生聚合物形成的問題。其優(yōu)異的性能使細菌纖維素成為一種制備人造血管的組織工程材料。細菌纖維素管具有精細的納米纖維結構、優(yōu)良的機械性能和高熱穩(wěn)定性，對體內(nèi)環(huán)境有很強的適應性，故在組織工程領域細菌纖維素管作為血管管狀支架材料具有廣闊的應用前景［17］。細菌纖維素管具有很好的手術實用性，可以用標準方法消毒，在大鼠、豬和綿羊等動物的體內(nèi)實驗研究中，細菌纖維素管成功地替代了其頸動脈［16］。在具有內(nèi)徑＜8 mm的有機硅管中培養(yǎng)細菌纖維素，獲得了所需長度、內(nèi)徑、厚度和單軸取向纖維的管狀細菌纖維素凝膠，其具有優(yōu)異的機械性能，在醫(yī)學和藥物應用中有望用作微血管或軟組織材料［18］。

2.1.4 原花青素 原花青素（Proanthocyanidins，PACs）是植物源的多功能化合物，與細胞外基質(zhì)成分具有高度的相互作用。PAC二聚體、三聚體和四聚體不僅具有生物相容性，而且還增強了牙髓細胞向有利于生物礦化的表型分化；富含PACs的精制混合物可以作為可再生的、非細胞毒性的藥劑，增加生物材料的機械性能，作為生物材料而應用于再生領域；低聚PACs不僅能與牙髓細胞生物相容，而且還能促進該細胞群的增殖，這一點可以通過分化、牙本質(zhì)生成和生物礦化的關鍵基因的上調(diào)來體現(xiàn)；這些對于評價低聚PACs作為有效的組織修復和再生生物材料具有重要意義［19］。

2.2 應用于血管再生的合成支架材料

2.2.1 水凝膠 水凝膠（hydrogel）作為藥物傳遞系統(tǒng)或細胞三維培養(yǎng)支架廣泛應用于生物醫(yī)學領域，水凝膠被定義為由親水性大分子組成的三維系統(tǒng)，其交聯(lián)可導致水合聚合物網(wǎng)絡的形成［11］，它們具有高度的生物相容性、高含水量、多種可調(diào)特性、細胞相容性及細胞黏附位點，是支持細胞命運的三維微環(huán)境［20］。凝膠化與生物降解是影響細胞的關鍵因素［21］。

HA和α彈性蛋白的共聚物——HA-EDA-g-αelastin/HA水凝膠對于人臍靜脈血管內(nèi)皮細胞的粘附和增殖是最佳基質(zhì)，該凝膠能吸收大量的水介質(zhì)，抓住血管內(nèi)皮生長因子并控制其釋放，釋放的生長因子可以刺激人臍靜脈血管內(nèi)皮細胞的存活和遷移［11］。同時水凝膠在體內(nèi)有可能降解，HAase酶促降解產(chǎn)物（HA片段），小片段的HA可通過CD44和RHAAM受體介導的一系列事件與內(nèi)皮細胞相互作用［11］，和/或通過誘導粘著斑激酶（Focal adhesion kinase，F(xiàn)AK）和有絲分裂原活化蛋白激酶（mitogen activated protein kinase，MAPK）通路刺激內(nèi)皮細胞的粘附、增殖和遷移，以及促進人臍靜脈血管內(nèi)皮細胞的增殖及新血管的生成［12］。水凝膠通常表現(xiàn)出與軟組織類似的非線性應力應變反應以及存在固有的強度和剛度的限制，這妨礙了它們在某些應用中的適用性［22］。

殼聚糖/明膠復合物具有與糖胺聚糖和膠原蛋白相似的結構，可以模擬細胞外基質(zhì)的天然成分，從而為細胞存活提供了合適的環(huán)境，凝膠形成機制有很多，其中對于治療有利的是溫敏方法。脂肪干細胞分泌多種血管生成生長因子，在利用脂肪干細胞治療缺血性疾病的研究中，殼聚糖/明膠溫敏水凝膠不僅為維持脂肪干細胞的存活提供合適的微環(huán)境，而且能夠使脂肪干細胞持續(xù)釋放生長因子促進組織血管的形成，從而在治療缺血性疾病中顯示出巨大的臨床潛力［23］。溫敏水凝膠形態(tài)可控，可便于將支架材料導入根管，制備出適合根管形態(tài)的支架，這推動了牙髓再生的研究。有研究者利用纖維素納米晶體以及富含血小板的裂解液進行對注射用HA水凝膠進行改進以增強趨化性和促血管生成活性，促進血管化損傷組織的再生；改進后的可注射用HA水凝膠在體外模型及離體模型實驗中，可以招募牙源性干細胞和促進新血管樣結構的形成［24］。也有研究者將載VEGF的膠原凝膠液注入空根管模型中，異位移植于裸鼠皮下，3周后組織學觀察可見血管化組織的形成［25］。

2.2.2 冷凍凝膠 冷凍凝膠（cryogel）是克服水凝膠在使用上的一些限制而尋找新的材料；冷凍凝膠是指在零度以下從可聚合前體的冷凍溶液中得到的凝膠基質(zhì)。冷凍凝膠的形成可描述為：冰晶體相分離，交聯(lián)和通過冰晶體的溶解形成相互連接的多孔網(wǎng)絡。以戊二醛為交聯(lián)劑，以殼聚糖和HA為原料，采用冷凍凝膠技術制備了天然冷凍凝膠支架，聚合物冷凍凝膠具有90%～95%的多孔結構，孔隙度150～200μm；表現(xiàn)出可生物降解的性質(zhì)和迅速膨脹的行為；通過HA的共聚和共聚，提高了膨脹比、柔性和耐久性。在體外細胞實驗中，這些冷凍凝膠適合于3T3成纖維細胞和SAOS-2細胞的發(fā)育；MTT法檢測顯示，HA促進3T3成纖維細胞和SAOS-2細胞的增殖；同時高孔隙率的網(wǎng)絡結構有助于3T3成纖維細胞和SAOS-2細胞的粘附和擴散；殼聚糖-HA冷凍凝膠支架的經(jīng)過進一步的體外和體內(nèi)研究后，有望應用于組織工程［7］。

另有研究者采用凍干法制備了以殼聚糖、膠原蛋白、HA為主，輔以納米羥基磷灰石的支架材料。細胞培養(yǎng)研究表明，在富含羥基磷灰石的情況下，支架表面的細胞附著和生長得到改善，而體內(nèi)植入兔皮下組織植入6個月后，該支架對周圍組織無刺激和炎癥等反應［6］。

2.2.3 靜電紡絲 靜電紡絲（electrospinning，ESP）技術可以產(chǎn)生與各種組織細胞外基質(zhì)中膠原纖維形態(tài)相似的纖維結構，也可以控制纖維的排列；同時，大多數(shù)的靜電紡絲都是平的或管狀結構，由厚度有限的密集排列的纖維組成，具有很好的強度，但不表現(xiàn)出血管組織的非線性“J形”應力-應變效應；血管移植物和組織工程血管的依從性使其在體內(nèi)長期具有功能；以水凝膠和電紡纖維結合制備的血管支架材料，具有自然血管在平均壓力范圍內(nèi)的順應性特征［22］。通過靜電紡絲技術制備的殼聚糖纖維具有較好的生物相容性，有助于細胞黏附、保持細胞形態(tài)和活力［8］。

2.2.4 微球 Garzon等［26］檢測了兩種不同表面（納米纖維或光滑表面）的具有生物活性的可注射用聚-A-乳酸微球的生物相容、生物安全性以及根管內(nèi)牙髓再生的能力。Li等［27］合成了載VEGF的L-聚乳酸-肝素-明膠納米纖維微球，并將其作為支架材料，牙髓干細胞作為種子細胞，進行牙根異位移植牙髓全長再生的研究中，在長為11 mm的空牙根根管模型中，可見有9 mm的牙髓樣組織的形成。

2.3 應用于牙髓再生的仿生復合支架系統(tǒng)

有研究者將自體血管細胞與可生物降解管狀支架結合，創(chuàng)造出一種血管替代物，植入自體血管細胞的雙層血管支架可以產(chǎn)生完全細胞化的血管結構，可以替代小直徑血管，帶細胞的血管結構保持了高度的移植物通透性、結構完整性和順應性以及收縮性，血管支架具有生物降解性和生物穩(wěn)定性，羊動脈模型實驗研究發(fā)現(xiàn)，6個月內(nèi)不會引起異物反應，其長期療效還需進一步觀察［28］。自體血管細胞的應用減少了免疫排斥反應，具有較好的生物相容性。一種具有雙層管狀結構的殼聚糖-明膠大孔水凝膠骨架也有助于血管支架的研究發(fā)展，外層模擬血管三維基質(zhì)可促進細胞粘附和增殖，同時具有良好的抗拉強度、生物相容性和可生物降解性，該類支架有望成為血管組織工程很好的管狀原型［29］。