張 琛,高 鶯,2

隨著種植技術(shù)和生物材料的不斷發(fā)展,種植義齒已成為牙列缺損或牙列缺失患者修復(fù)缺失牙的首選方式[1]。然而種植修復(fù)時常面臨諸多臨床問題,如牙周炎、外傷等因素導(dǎo)致牙槽骨吸收需進行骨增量手術(shù),鈦種植體缺乏骨誘導(dǎo)性及抗菌能力,要經(jīng)歷較長的骨結(jié)合時間,局部菌斑控制欠佳及糖尿病等系統(tǒng)性疾病的存在可能導(dǎo)致種植體周圍炎的發(fā)生,從而影響種植成功率[2]。近年來,納米纖維憑借其比表面積大、與細胞外基質(zhì)高度匹配、易于表面功能化等優(yōu)勢為上述問題的解決提供了新思路[3]。目前制備納米纖維的方法包括相分離法、自組裝法和靜電紡絲法等,其中靜電紡絲技術(shù)簡稱為電紡技術(shù),因其操作簡便、成本低、可連續(xù)制造納米纖維等優(yōu)點受到越來越多學(xué)者的青睞[3]。本文就電紡納米纖維常用的制備原料以及在口腔種植中的應(yīng)用作一綜述,以期為電紡納米纖維的基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用提供參考。

1 電紡納米纖維常用的制備原料

電紡納米纖維的性能很大程度上取決于所選擇的聚合物。聚合物根據(jù)其來源可分為天然聚合物與合成聚合物,在生物醫(yī)學(xué)方面的研究中常用的電紡聚合物為明膠、殼聚糖、絲素蛋白等天然聚合物,以及聚己內(nèi)酯(poly-ε-caprolactone,PCL)、聚乳酸、聚四氟乙烯等合成聚合物[3-4]。

天然聚合物具有良好的生物相容性和生物降解性,但因其電紡難度大、機械強度差、親水性好而表現(xiàn)出相對較快的降解速率,在臨床應(yīng)用中受到一定限制[2,5]。為了提高天然聚合物的強度并保持其纖維形態(tài),常使用交聯(lián)劑進行處理[6]。Li等[7]報道使用京尼平作為交聯(lián)劑應(yīng)用于明膠納米纖維,以改善其遇水穩(wěn)定性差、降解快等缺點,結(jié)果顯示,隨著京尼平的加入,明膠納米纖維溶脹率降低,耐水性和拉伸強度提高。

合成聚合物的主要優(yōu)點是可紡性好、機械性能與可調(diào)控性出色[6]。相較于天然聚合物,合成聚合物親水性弱、生物相容性差且缺乏細胞識別位點[8]。因此,合成聚合物通常與天然聚合物混紡以彌補單一材料的缺陷,從而形成具有良好機械性能、降解速率和生物活性的納米纖維[2]。此外,在混紡過程中還可通過改變聚合物單體的摩爾分數(shù)或采用不同的混紡比例,更好地控制納米纖維降解速率使之與組織再生速度匹配,進而為不同細胞或器官量身打造出組織工程支架[9]。Ghasemi-Mobarakeh等[10]利用電紡技術(shù)制備了質(zhì)量比為70∶30和50∶50的PCL/明膠納米纖維支架,結(jié)果顯示70∶30的支架更利于神經(jīng)干細胞增殖,較50∶50的支架表現(xiàn)出了更低的生物降解率和更好的機械性能。

2 靜電紡絲納米纖維在口腔種植中的應(yīng)用

2.1 引導(dǎo)骨組織再生

引導(dǎo)骨組織再生(guided bone regeneration,GBR)技術(shù)是目前種植術(shù)中應(yīng)對骨量不足問題的有效治療手段,其主要原理是在上皮組織和骨組織之間放一層屏障膜,以防止快速增殖的上皮細胞向缺損部位遷移,從而保證成骨細胞的生長[11]。選擇理想的屏障膜是確保GBR成功的關(guān)鍵因素之一,屏障膜應(yīng)具有良好的生物相容性、抗菌性能和成骨性能等,在承受周圍組織壓力時應(yīng)具有足夠的機械支撐力,生物液體中浸濕后還應(yīng)能保持原有的機械性能以抵抗手術(shù)縫線的剪切力[3,12]。

在電紡過程中可通過等離子體處理、表面接枝、濕化學(xué)法等對電紡納米纖維表面改性進一步提高骨傳導(dǎo)性和骨誘導(dǎo)性[13]。此外,還可以在納米纖維表面負載生長因子、藥物、無機粒子、酶等生物活性物質(zhì)以提升納米纖維的機械性能、生物相容性及抗菌活性等,為細胞生長及鄰近組織整合提供更適宜的微環(huán)境,從而滿足GBR的多層次需求[3]。

電紡技術(shù)的應(yīng)用使得制備雙層或多層膜成為可能,這些屏障膜的兩面可具有不同特性以適應(yīng)手術(shù)部位中不同的組織區(qū)[3]。Lian等[14]利用電紡技術(shù)制成了具有抗菌和成骨性能的雙層納米纖維膜,致密層由載有多西環(huán)素的聚乳酸-羥基乙酸共聚物(poly(lactic-co-glycolic acid),PLGA)納米纖維構(gòu)成,多孔層由載有地塞米松的介孔二氧化硅納米顆粒和PLGA/明膠紡絲液混紡構(gòu)成,結(jié)果顯示上述雙層納米纖維膜能促進大鼠骨髓干細胞的成骨分化并能抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長,有望成為GBR應(yīng)用的理想材料。

Yu等[15]通過電紡技術(shù)成功制備了三層納米纖維膜,主要由多孔層、致密層、中間層組成,多孔層由載有辛伐他汀的明膠/PCL納米纖維構(gòu)成,致密層由PCL納米纖維構(gòu)成,中間層由上述兩種纖維交織而成,中間層的加入使致密層和多孔層的連接更為緊密,將骨髓間充質(zhì)干細胞(bone marrow-derived mesenchymal stem cells,BMMSCs)和成纖維細胞在膜的不同表面上培養(yǎng),結(jié)果顯示致密層可作為有效屏障防止成纖維細胞的入侵,BMMSCs在多孔層可有效黏附及增殖,動物實驗表明該屏障膜可顯著促進兔顱骨缺損區(qū)新骨的形成。

口腔中的骨缺損形狀復(fù)雜多變,簡單的二維納米纖維膜可能難以滿足骨再生的需要,如何構(gòu)建三維納米纖維支架對于骨組織再生具有重要意義。在傳統(tǒng)電紡中,紡絲開始后纖維在接收裝置上分層堆積,這些纖維形成的孔隙只存于單層平面上,隨著纖維的層層沉積孔隙尺寸逐漸減小,導(dǎo)致細胞只能黏附在表面生長而無法進入其內(nèi)部[16]。此外,小孔徑也限制了營養(yǎng)物質(zhì)和代謝廢物的轉(zhuǎn)移,從而阻礙了支架中的血管化和組織整合[17]。因此為了制備有足夠孔徑和孔隙率三維支架,許多學(xué)者提供了相應(yīng)的策略,主要包括使用特殊收集器、低溫靜電紡絲、氣體發(fā)泡等[13]。Hejazi等[18]通過改進電紡技術(shù)利用金屬網(wǎng)作為收集器成功制備出三維支架,三維支架具有更高的孔隙率及孔徑,其總孔隙率高達98%且孔徑提升了1倍,將骨肉瘤細胞株MG-63接種其上,相較于二維支架MG-63增殖在早期時間點停止,接種在三維支架上的MG-63在21 d內(nèi)連續(xù)增殖且表現(xiàn)出了更高的堿性磷酸酶活性及更明顯的鈣沉積。

Dong等[19]結(jié)合電紡技術(shù)及3D打印技術(shù)開發(fā)出一種可制造復(fù)雜形狀骨支架的3D打印平臺,能在計算機輔助設(shè)計軟件的幫助下構(gòu)建與缺損部位形狀相同的支架結(jié)構(gòu),主要是通過在3D打印聚乙二醇/PCL支架表面覆蓋電紡納米纖維層完成的,分析表明該支架具有良好的機械性能,且電紡納米纖維層的加入增加了支架的表面積可促進成骨細胞的黏附及增殖。

2.2 種植體表面改性

鈦作為一種惰性材料,因缺乏骨誘導(dǎo)能力無法快速促進成骨細胞在其表面增殖、礦化,從而使得種植體植入體內(nèi)后骨結(jié)合時間較長[20];鈦種植體本身無抗菌活性,植入后釋放鈦離子/顆?？烧T發(fā)機體的炎癥反應(yīng)導(dǎo)致無菌性松動的發(fā)生[21];種植修復(fù)后菌斑控制欠佳可能導(dǎo)致細菌侵襲引起種植體周圍黏膜炎、種植體周圍炎,造成種植失敗風(fēng)險提升[22]。因此國內(nèi)外學(xué)者開始在鈦種植體上采用不同改性方法,賦予其骨誘導(dǎo)性及抗菌能力,促進種植體周圍新骨形成并防止細菌侵入,對提高種植體留存率及患者滿意度均具有重要臨床意義。

在眾多的改性方法中,電紡納米纖維涂層因其有利于細胞黏附、增殖,同時能搭載酶、生長因子、藥物等生物活性物質(zhì),成為種植體表面改性的熱門技術(shù)之一[2]。傳統(tǒng)的靜電紡絲法在負載生物活性物質(zhì)方面略顯不足,其一是缺乏適當(dāng)?shù)木忈屜到y(tǒng),其二是暴露在有機溶劑中的生物活性物質(zhì)在電紡過程中容易變性[23]。同軸靜電紡絲技術(shù)可制備出具有芯-殼結(jié)構(gòu)的納米纖維,這一結(jié)構(gòu)可使芯層負載的物質(zhì)達到緩釋效果,同時對其有保護作用[24]。胡姝穎等[25]利用同軸靜電紡絲技術(shù)制備出載有骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2的PLGA/PCL電紡纖維膜,結(jié)果顯示該生長因子可持續(xù)釋放長達28 d且能保持部分活性,體外實驗表明其能促進小鼠前成骨細胞的早期成骨分化。

在增強種植體抗菌能力中,Song等[26]應(yīng)用同軸靜電紡絲技術(shù)將載有多西環(huán)素的PCL/聚乙烯醇納米纖維直接沉積在鈦表面,劃痕測試表明該涂層與鈦表面結(jié)合強度良好,將涂覆上述涂層的種植體植入到感染金黃色葡萄球菌的大鼠脛骨內(nèi),結(jié)果發(fā)現(xiàn)其可有效抑制細菌生長以促進種植體骨結(jié)合的發(fā)生,并能維持長達8周的抗菌效果。Kiran等[27]將納米二氧化鈦加入PCL制成的電紡溶液,然后在鈦板表面電紡得到納米纖維涂層,模擬體液浸泡實驗發(fā)現(xiàn)該涂層可促進羥基磷灰石的沉積,其中二氧化鈦的光催化作用可明顯抑制金黃色葡萄球菌的生長。

Wei等[28]利用電紡技術(shù)在聚多巴胺(polydopamine,PDA)改性的鈦板上制備載有阿司匹林的PLGA納米纖維涂層,其中PDA改性確保納米纖維涂層對鈦板的黏附,體外實驗發(fā)現(xiàn)其對BMMSCs的增殖和成骨分化有促進作用并可抑制炎癥因子的釋放,動物實驗顯示該涂層能有效抑制鈦顆粒在種植體周圍引起的骨溶解,有望從抗炎和改善骨整合的雙重方向上有效解決無菌性松動問題。

針對種植體骨誘導(dǎo)能力差的情況,Das等[29]在鈦種植體表面制備一層由PCL、明膠、羥基磷灰石、地塞米松、抗壞血酸和β-甘油磷酸電紡制成的納米纖維涂層,動物實驗表明與種植體接觸的新生骨組織骨密度與骨礦物質(zhì)含量分別比對照組高23.22%和13.39%,組織學(xué)結(jié)果顯示該涂層可誘導(dǎo)骨組織提前成熟和血管化。Keceli等[30]利用陽極氧化技術(shù)在鈦表面負載骨形態(tài)發(fā)生蛋白-6,然后通過電紡技術(shù)在鈦表面制備載有血小板衍生生長因子的絲素蛋白涂層,結(jié)果顯示接種其上的成骨細胞增殖和礦化能力增強,有利于種植的早期骨結(jié)合。

2.3 傷口敷料及縫線

種植術(shù)后傷口愈合情況是影響種植手術(shù)成功率的重要因素之一,若傷口愈合不良可能導(dǎo)致感染發(fā)生,從而進一步影響種植體骨結(jié)合[31]。電紡納米纖維可制成傷口敷料或縫線,通過創(chuàng)造良好的創(chuàng)面愈合環(huán)境減少炎癥、感染并促進傷口愈合。

有學(xué)者將搭載銀納米粒子的明膠/聚氨酯電紡納米纖維膜作為口腔傷口敷料,體外抗菌實驗表明具有良好的抗菌活性,并能抑制牙齦卟啉單胞菌、伴放線聚集桿菌和中間普氏菌等牙周致病菌生長,這些細菌同時也是種植體周圍黏膜炎及種植體周圍炎中的致病菌[32-33]。Schulz等[34]通過電紡技術(shù)得到明膠/PCL納米纖維膜,將牙齦成纖維細胞與牙齦角質(zhì)形成細胞接種其上,結(jié)果顯示細胞生長狀態(tài)良好,將它作為傷口敷料應(yīng)用于種植術(shù)后牙齦裂開的小豬模型中,結(jié)果顯示其能促進種植區(qū)創(chuàng)口的愈合。有學(xué)者利用電紡技術(shù)制備取向性PCL納米纖維膜,其上負載有促血管生成的全反式維甲酸類藥物,檢測表明其能引導(dǎo)細胞方向性生長的同時增加成血管基因表達與新血管生成,并進一步構(gòu)建動物模型證實了該納米纖維膜對大鼠種植區(qū)軟組織創(chuàng)口及全層皮膚創(chuàng)面有促愈合作用[35-36]。此外,作為種植手術(shù)相對禁忌證的糖尿病患者,氧化應(yīng)激、慢性炎癥刺激、新生血管減少等因素會導(dǎo)致其傷口愈合緩慢甚至不愈合,已有研究表明電紡納米纖維制成的傷口敷料可有效促進糖尿病傷口愈合從而減少并發(fā)癥發(fā)生,但是目前主要應(yīng)用于皮膚創(chuàng)面,對口腔黏膜是否有療效還有待進一步探索[37]。

電紡納米縫線在促進傷口愈合及預(yù)防術(shù)后感染中也具有廣闊的應(yīng)用前景。Chen等[38]利用同軸靜電紡絲技術(shù)制備出負載銀納米粒子和慶大霉素的PCL納米纖維縫線,實驗結(jié)果顯示慶大霉素和銀離子可持續(xù)釋放超過5周并能抑制銅綠假單胞菌的生長,而對角質(zhì)形成細胞和真皮成纖維細胞的增殖和遷移沒有明顯影響。Gu等[39]應(yīng)用同軸靜電紡絲技術(shù)開發(fā)出一種搭載轉(zhuǎn)化生長因子-β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)的新型縫線,該縫線可持續(xù)釋放TGF-β1一周以上并可促進人臍靜脈內(nèi)皮細胞的生長。

3 小結(jié)與展望

目前電紡納米纖維在GBR、種植體表面改性、傷口敷料及縫線等方面逐步受到關(guān)注,有望成為口腔種植領(lǐng)域應(yīng)用的理想材料。但是在大規(guī)模的臨床應(yīng)用中仍然存在一些挑戰(zhàn),如電紡過程中如何精確控制納米纖維直徑、形態(tài)、孔徑及孔隙率等結(jié)構(gòu)參數(shù)以適應(yīng)不同細胞或組織生長條件的需要;探索環(huán)境友好型無毒溶劑體系以減低對納米纖維及制造環(huán)境的污染;尋找合適的消毒或滅菌方法以最大程度減少對納米纖維的影響;電紡過程的速度較慢等。此外,在國內(nèi)外的文獻報道中電紡納米纖維的臨床應(yīng)用研究較少,遠期效果還有待進一步觀察。因此在未來可深入拓展對電紡聚合物及改性方法的研究,并加強電紡納米纖維的體內(nèi)及體外研究,從而為后續(xù)的臨床應(yīng)用奠定更豐富的理論基礎(chǔ)。