【干細胞論壇】骨缺損修復生物材料與骨再生（一）

頜骨是整個顏面部的支撐結構，不僅決定了人的面部形態和容貌特征，還承擔著咀嚼、言語、吞咽、呼吸和吮吸等重要生理功能；因腫瘤、創傷、炎癥及先天性疾病等造成的頜骨缺損嚴重影響患者的身心健康和生活質量。目前，臨床上針對頜骨缺損患者，除贗復體修復治療外，還有以下兩種常用方法：①自體骨移植，仍然作為頜骨大范圍缺損修復的金標準，尤其是帶血管蒂骨移植具有確切的修復效果，但這畢竟是一種"拆東墻補西墻"的治療方式，存在供骨區創傷、一定的失敗率和需要多次手術等諸多缺點，會給患者帶來額外的損傷；②骨修復材料，臨床上常用的有Bio-Oss骨粉、羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）、β-磷酸三鈣（β-tricalcium phosphate，β-TCP）等材料，盡管在牙槽窩位點保存等小范圍骨缺損修復中取得了較好的治療效果，但由于這些材料在修復過程中主要起到骨傳導的作用，本身缺乏成骨誘導能力，可導致修復時間過長且不能用于頜骨大范圍缺損修復。結合兩者綜合分析，帶蒂自體骨的成功可歸結于其具有大量參與骨修復的活細胞及整體快速血管化再通的能力，提高了大塊頜骨再生的成功率和效率，為骨修復材料成骨性能的改善和優化提供了參考。

隨著干細胞技術、組織工程和再生醫學的發展，以生物支架材料及相關改性材料為基礎、結合干細胞構建組織工程骨復合物成為頜骨再生的新思路。本文將重點闡述生物材料調控干細胞的投遞、存活和分化及其在骨缺損再生修復中的作用。

一、骨修復生物支架材料的基本要求

在骨再生過程中，支架材料可為種子細胞的黏附、增殖與分化提供微環境，維系一定的立體構型而引導血管等組織細胞的遷移生長，并可作為活性蛋白因子等藥物的載體，更好地調控新骨形成[1,2]。因此，選擇合適的生物材料是大塊頜骨再生的關鍵。對于骨修復支架材料而言，一般需要具備以下基本要求：①良好的生物相容性。在生物體內，材料應不影響組織細胞的正?；钚?，不干擾、抑制分子信號通路，不引起機體局部及全身毒性反應[3]。材料的生物相容性還體現在骨誘導性、骨重建性和血管化水平，這些特性對骨再生具有積極意義。②生物可降解性。支架材料在生物體內按照一定的速率降解對于骨再生而言是十分重要的特性。理想的生物材料應具有可控的降解速率和降解方式，材料降解的同時伴隨新生骨礦化、沉積。骨再生中生物支架材料的降解速率控制在3至6個月為宜[4]。③多級孔隙結構。材料內部相互連通的多孔結構是骨修復支架設計中的關鍵內容之一。O'Brien團隊提出支架中孔隙直徑為200~350 μm時，更利于成骨細胞的黏附和增殖；而多級微納米結構的綜合設計，可能實現更多的功能需求和更好的骨再生效果[5]。④良好的機械性能。支架材料在應用中必須具有一定的機械強度以滿足骨缺損處的機械支撐要求。理想支架材料的機械強度和彈性模量等參數應與天然骨組織相匹配。由于頜骨組織支撐著正常面部外形和容貌特征，并承擔咀嚼、語言和吞咽等復雜精細的生理功能，頜骨組織缺損的精確再生修復至關重要，頜骨支架材料的個性化制備也成為今后的發展方向。

二、骨缺損修復生物材料作為干細胞的投遞載體

干細胞具有自我更新和多向分化能力，理論上可在體外擴增至足夠數量并被誘導分化為成骨細胞，進而用于骨再生治療。可用于骨再生的干細胞種類很多，僅從口腔頜面部分離培養的成體干細胞種類即達10余種。近年來，干細胞在頜骨再生中的應用已有大量系統性研究，展示了其在頜骨再生中的優勢和價值，如自2013以年，來自美國密歇根大學牙科學院和密歇根口腔健康研究中心與Aastrom生物科學公司的研究人員首次報道了干細胞用于頜面骨再生的臨床隨機對照試驗，該項臨床試驗涉及24例拔牙后接受牙槽骨保存的患者，相比傳統的骨修復治療方法，利用CD14+和CD90+的干細胞再生頜面骨組織更有效且侵入性更小[6]。生物材料作為干細胞載體，可模擬細胞外基質成分，形成細胞的三維培養環境，調節細胞黏附、增殖、遷移和分化，以提高干細胞在體內的使用量和存活率，進一步提高骨再生效率。目前，研究較多的可作為干細胞投遞載體的生物材料根據化學組成可分為生物活性陶瓷/玻璃、合成高分子材料等種類。

1．生物活性陶瓷/玻璃：

此類生物材料中最具代表性的是磷酸鈣生物活性陶瓷，包括：HA、β-TCP、雙相磷酸鈣。因其化學成分及結構與天然骨的礦化基質相近，此類材料常用來制備載細胞支架[7]。這些傳統的三維多孔支架材料孔徑大小、分布及孔隙率都能影響干細胞的負載和體內存活，材料中負載Sr、Zn等活性離子調節細胞黏附、血管再生，也可促進新骨形成[8,9]。

2．合成高分子材料：

高分子材料按來源可分為天然高分子材料，如：多聚糖類（殼聚糖）、蛋白類（膠原）、絲素蛋白和海藻酸鹽等；人工合成材料，如：聚乳酸、聚乙醇酸和聚己內酯等。高分子材料相比無機材料的優勢在于可控的降解性能、良好的生物相容性及易于構建[10]，特別是天然高分子材料作為干細胞載體，有良好的生物相容性，可提高干細胞的存活率。骨髓干細胞負載于β-TCP/HA支架材料用于異位成骨，干細胞植入體內7 d后基本完全消失[11]；而筆者團隊前期研究使用多孔絲蛋白支架負載干細胞修復大鼠顱骨缺損，體內放置至第8周時仍有大量干細胞存活，且這些干細胞可被生長因子誘導分化參與血管化骨再生[12]。高分子類材料可制備成多種形式應用于科研與臨床中。例如水凝膠一類親水聚合物通過交聯劑形成的高含水生物材料，用于包被干細胞以提高干細胞的使用量，可以通過可注射途徑直接加入缺損區，也可通過先滴加于多孔支架內再移植于缺損區的方式提高骨再生效果[13]。近年來，生物打印技術的成熟使水凝膠材料受到更多重視，水凝膠材料作為干細胞載體，在快速成型技術的輔助下可直接形成人體器官或組織[14]，為骨再生帶來新的策略與希望。另外，利用高分子材料搭配先進的制造技術，可制備成微球載體，是另外一種有利于干細胞體外擴增培養及體內高效使用的新方法，尤其是多孔微球，高比表面積使其能負載更多的細胞且細胞在三維微環境中能更好地生長，體內應用方式也可多樣化，體外培養形成的細胞外基質成分能完整保留，有助于干細胞更好、更快地參與骨再生[15]。

三、骨缺損修復生物材料調控干細胞成骨分化

生物材料可通過攜帶生長因子、小分子化合物、基因、外泌體等成骨誘導藥物提高成骨誘導性能和骨再生效果。同時，材料表面形貌和成分的改性亦能影響干細胞的生物學行為。

1．材料載藥調控干細胞分化：

材料作為藥物緩控釋載體，需滿足以下條件：①藥物能分散在支架材料中；②藥物能以一定的速率釋放出來；③支架材料在長時間內能保持穩定，同時也可以保護藥物的活性[16]。通過對生物材料的改造，有望控制藥物的釋放速率、持續時間，甚至時空定量釋放所需要的藥物以優化骨再生效果。還可以靶向設計以投遞到指定的組織細胞，能有效提高藥物利用效率并減少全身性不良反應[17]。

組織工程實踐中細胞因子常與支架材料聯合使用以提高骨再生效率。骨形成蛋白2（bone morphogenetic protein，BMP-2）和血小板衍生生長因子（platelet-derived growth factor，PDGF）-BB等生長因子是骨再生中常用的生長因子，這些生長因子可以通過不同的信號通路促進干細胞的成骨向分化，提高體內骨再生效果。其中，BMP-2是公認的成骨誘導能力最強的生長因子，其不僅可以誘導間充質干細胞通過軟骨內骨化過程參與成骨，還可以募集成骨細胞或誘導成肌細胞甚至成纖維細胞等向成骨細胞分化，生物材料緩釋BMP-2用于骨再生已有大量基礎及臨床研究[18,19]。但BMP-2的使用存在一定的過度成骨風險，造成新生骨組織范圍不可控和結構不規則[20]；Nell-1是新近發現的一種可導致顱縫早閉的分泌型蛋白，它能促進骨膜來源成骨細胞的成骨分化和加速礦化以調控顱骨發育過程中膜性成骨過程[21]，盡管其成骨效果總體上稍弱于BMP-2，但其誘導產生的新生骨組織更接近生理性修復狀態，并可將骨再生更好地控制于缺損范圍內。

從大塊頜骨再生臨床轉化應用來看，已有部分個案報道使用膠原、β-TCP、HA等支架材料負載人重組（recombinant human，rh）BMP-2和rhBMP-7等成骨誘導因子實現缺損修復。Sandor等[22]借助β-TCP支架負載rhBMP-2和自體脂肪干細胞修復因下頜骨成釉細胞瘤切除造成的10 cm節段性缺損，并于10個月后行牙種植功能修復，提示組織工程技術在大塊頜骨再生中的巨大潛力。

2．材料表面結構改性對干細胞分化的調控：

除負載生長因子等藥物以誘導干細胞成骨分化外，微納米結構修飾也可提高生物材料自身的成骨誘導性能。材料的表面形貌結構與組織細胞直接接觸發揮作用，材料表面微米結構（如溝槽、凸起等）或納米結構（如各種納米圖案、表面晶體結構差異等）可直接影響細胞的黏附、鋪展、增殖、遷移及成骨分化等性能[23]。結構形貌修飾發揮功能的具體作用機制尚不清楚，可能是其造成了材料表面粗糙度的變化而影響細胞外基質蛋白的吸附規律，進而調控干細胞的生物學行為[24]。

3．材料離子成分對干細胞分化的調控：

對骨修復無機支架材料而言，離子成分可通過化學合成或物理復合等方法摻入支架中，隨著支架材料降解釋放出來，不僅能作用于材料表面黏附的干細胞，還可以對支架周圍的干細胞起到"遠程"作用。據報道，鈣離子（Ca）、硅離子（Si）、鎂離子（Mg）、鋅離子（Zn）、鍶離子（Sr）和銅離子（Cu）等均具有一定的刺激干細胞成骨向分化的能力，其中Si、Mg、Sr和Cu離子還同時具有促進血管化的功能。筆者課題組發現Sr離子一方面直接誘導骨髓干細胞成骨分化，另一方面通過刺激干細胞分泌血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）和PDGF-BB等成血管誘導因子間接促進血管化[25]；Cu離子是通過上調骨髓干細胞內低氧誘導因子1α的表達，促進BMP-2和VEGF等成骨成血管誘導因子的分泌，提高血管化骨再生效果[26]。由于微納米結構和生物活性離子成分在調控干細胞成骨向分化上分別起到近程和遠程的刺激，二者在誘導骨再生方面具有一定的協同作用[27]。

來源：口腔空間