静电纺丝纳米纤维在口腔种植的应用研究进展

张 琛,高 莺,2

随着种植技术和生物材料的不断发展,种植义齿已成为牙列缺损或牙列缺失患者修复缺失牙的首选方式[1]。然而种植修复时常面临诸多临床问题,如牙周炎、外伤等因素导致牙槽骨吸收需进行骨增量手术,钛种植体缺乏骨诱导性及抗菌能力,要经历较长的骨结合时间,局部菌斑控制欠佳及糖尿病等系统性疾病的存在可能导致种植体周围炎的发生,从而影响种植成功率[2]。近年来,纳米纤维凭借其比表面积大、与细胞外基质高度匹配、易于表面功能化等优势为上述问题的解决提供了新思路[3]。目前制备纳米纤维的方法包括相分离法、自组装法和静电纺丝法等,其中静电纺丝技术简称为电纺技术,因其操作简便、成本低、可连续制造纳米纤维等优点受到越来越多学者的青睐[3]。本文就电纺纳米纤维常用的制备原料以及在口腔种植中的应用作一综述,以期为电纺纳米纤维的基础研究和临床应用提供参考。

1 电纺纳米纤维常用的制备原料

电纺纳米纤维的性能很大程度上取决于所选择的聚合物。聚合物根据其来源可分为天然聚合物与合成聚合物,在生物医学方面的研究中常用的电纺聚合物为明胶、壳聚糖、丝素蛋白等天然聚合物,以及聚己内酯(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,但因其电纺难度大、机械强度差、亲水性好而表现出相对较快的降解速率,在临床应用中受到一定限制[2,5]。为了提高天然聚合物的强度并保持其纤维形态,常使用交联剂进行处理[6]。Li等[7]报道使用京尼平作为交联剂应用于明胶纳米纤维,以改善其遇水稳定性差、降解快等缺点,结果显示,随着京尼平的加入,明胶纳米纤维溶胀率降低,耐水性和拉伸强度提高。

合成聚合物的主要优点是可纺性好、机械性能与可调控性出色[6]。相较于天然聚合物,合成聚合物亲水性弱、生物相容性差且缺乏细胞识别位点[8]。因此,合成聚合物通常与天然聚合物混纺以弥补单一材料的缺陷,从而形成具有良好机械性能、降解速率和生物活性的纳米纤维[2]。此外,在混纺过程中还可通过改变聚合物单体的摩尔分数或采用不同的混纺比例,更好地控制纳米纤维降解速率使之与组织再生速度匹配,进而为不同细胞或器官量身打造出组织工程支架[9]。Ghasemi-Mobarakeh等[10]利用电纺技术制备了质量比为70∶30和50∶50的PCL/明胶纳米纤维支架,结果显示70∶30的支架更利于神经干细胞增殖,较50∶50的支架表现出了更低的生物降解率和更好的机械性能。

2 静电纺丝纳米纤维在口腔种植中的应用

2.1 引导骨组织再生

引导骨组织再生(guided bone regeneration,GBR)技术是目前种植术中应对骨量不足问题的有效治疗手段,其主要原理是在上皮组织和骨组织之间放一层屏障膜,以防止快速增殖的上皮细胞向缺损部位迁移,从而保证成骨细胞的生长[11]。选择理想的屏障膜是确保GBR成功的关键因素之一,屏障膜应具有良好的生物相容性、抗菌性能和成骨性能等,在承受周围组织压力时应具有足够的机械支撑力,生物液体中浸湿后还应能保持原有的机械性能以抵抗手术缝线的剪切力[3,12]。

在电纺过程中可通过等离子体处理、表面接枝、湿化学法等对电纺纳米纤维表面改性进一步提高骨传导性和骨诱导性[13]。此外,还可以在纳米纤维表面负载生长因子、药物、无机粒子、酶等生物活性物质以提升纳米纤维的机械性能、生物相容性及抗菌活性等,为细胞生长及邻近组织整合提供更适宜的微环境,从而满足GBR的多层次需求[3]。

电纺技术的应用使得制备双层或多层膜成为可能,这些屏障膜的两面可具有不同特性以适应手术部位中不同的组织区[3]。Lian等[14]利用电纺技术制成了具有抗菌和成骨性能的双层纳米纤维膜,致密层由载有多西环素的聚乳酸-羟基乙酸共聚物(poly(lactic-co-glycolic acid),PLGA)纳米纤维构成,多孔层由载有地塞米松的介孔二氧化硅纳米颗粒和PLGA/明胶纺丝液混纺构成,结果显示上述双层纳米纤维膜能促进大鼠骨髓干细胞的成骨分化并能抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长,有望成为GBR应用的理想材料。

Yu等[15]通过电纺技术成功制备了三层纳米纤维膜,主要由多孔层、致密层、中间层组成,多孔层由载有辛伐他汀的明胶/PCL纳米纤维构成,致密层由PCL纳米纤维构成,中间层由上述两种纤维交织而成,中间层的加入使致密层和多孔层的连接更为紧密,将骨髓间充质干细胞(bone marrow-derived mesenchymal stem cells,BMMSCs)和成纤维细胞在膜的不同表面上培养,结果显示致密层可作为有效屏障防止成纤维细胞的入侵,BMMSCs在多孔层可有效黏附及增殖,动物实验表明该屏障膜可显著促进兔颅骨缺损区新骨的形成。

口腔中的骨缺损形状复杂多变,简单的二维纳米纤维膜可能难以满足骨再生的需要,如何构建三维纳米纤维支架对于骨组织再生具有重要意义。在传统电纺中,纺丝开始后纤维在接收装置上分层堆积,这些纤维形成的孔隙只存于单层平面上,随着纤维的层层沉积孔隙尺寸逐渐减小,导致细胞只能黏附在表面生长而无法进入其内部[16]。此外,小孔径也限制了营养物质和代谢废物的转移,从而阻碍了支架中的血管化和组织整合[17]。因此为了制备有足够孔径和孔隙率三维支架,许多学者提供了相应的策略,主要包括使用特殊收集器、低温静电纺丝、气体发泡等[13]。Hejazi等[18]通过改进电纺技术利用金属网作为收集器成功制备出三维支架,三维支架具有更高的孔隙率及孔径,其总孔隙率高达98%且孔径提升了1倍,将骨肉瘤细胞株MG-63接种其上,相较于二维支架MG-63增殖在早期时间点停止,接种在三维支架上的MG-63在21 d内连续增殖且表现出了更高的碱性磷酸酶活性及更明显的钙沉积。

Dong等[19]结合电纺技术及3D打印技术开发出一种可制造复杂形状骨支架的3D打印平台,能在计算机辅助设计软件的帮助下构建与缺损部位形状相同的支架结构,主要是通过在3D打印聚乙二醇/PCL支架表面覆盖电纺纳米纤维层完成的,分析表明该支架具有良好的机械性能,且电纺纳米纤维层的加入增加了支架的表面积可促进成骨细胞的黏附及增殖。

2.2 种植体表面改性

钛作为一种惰性材料,因缺乏骨诱导能力无法快速促进成骨细胞在其表面增殖、矿化,从而使得种植体植入体内后骨结合时间较长[20];钛种植体本身无抗菌活性,植入后释放钛离子/颗粒可诱发机体的炎症反应导致无菌性松动的发生[21];种植修复后菌斑控制欠佳可能导致细菌侵袭引起种植体周围黏膜炎、种植体周围炎,造成种植失败风险提升[22]。因此国内外学者开始在钛种植体上采用不同改性方法,赋予其骨诱导性及抗菌能力,促进种植体周围新骨形成并防止细菌侵入,对提高种植体留存率及患者满意度均具有重要临床意义。

在众多的改性方法中,电纺纳米纤维涂层因其有利于细胞黏附、增殖,同时能搭载酶、生长因子、药物等生物活性物质,成为种植体表面改性的热门技术之一[2]。传统的静电纺丝法在负载生物活性物质方面略显不足,其一是缺乏适当的缓释系统,其二是暴露在有机溶剂中的生物活性物质在电纺过程中容易变性[23]。同轴静电纺丝技术可制备出具有芯-壳结构的纳米纤维,这一结构可使芯层负载的物质达到缓释效果,同时对其有保护作用[24]。胡姝颖等[25]利用同轴静电纺丝技术制备出载有骨形态发生蛋白-2的PLGA/PCL电纺纤维膜,结果显示该生长因子可持续释放长达28 d且能保持部分活性,体外实验表明其能促进小鼠前成骨细胞的早期成骨分化。

在增强种植体抗菌能力中,Song等[26]应用同轴静电纺丝技术将载有多西环素的PCL/聚乙烯醇纳米纤维直接沉积在钛表面,划痕测试表明该涂层与钛表面结合强度良好,将涂覆上述涂层的种植体植入到感染金黄色葡萄球菌的大鼠胫骨内,结果发现其可有效抑制细菌生长以促进种植体骨结合的发生,并能维持长达8周的抗菌效果。Kiran等[27]将纳米二氧化钛加入PCL制成的电纺溶液,然后在钛板表面电纺得到纳米纤维涂层,模拟体液浸泡实验发现该涂层可促进羟基磷灰石的沉积,其中二氧化钛的光催化作用可明显抑制金黄色葡萄球菌的生长。

Wei等[28]利用电纺技术在聚多巴胺(polydopamine,PDA)改性的钛板上制备载有阿司匹林的PLGA纳米纤维涂层,其中PDA改性确保纳米纤维涂层对钛板的黏附,体外实验发现其对BMMSCs的增殖和成骨分化有促进作用并可抑制炎症因子的释放,动物实验显示该涂层能有效抑制钛颗粒在种植体周围引起的骨溶解,有望从抗炎和改善骨整合的双重方向上有效解决无菌性松动问题。

针对种植体骨诱导能力差的情况,Das等[29]在钛种植体表面制备一层由PCL、明胶、羟基磷灰石、地塞米松、抗坏血酸和β-甘油磷酸电纺制成的纳米纤维涂层,动物实验表明与种植体接触的新生骨组织骨密度与骨矿物质含量分别比对照组高23.22%和13.39%,组织学结果显示该涂层可诱导骨组织提前成熟和血管化。Keceli等[30]利用阳极氧化技术在钛表面负载骨形态发生蛋白-6,然后通过电纺技术在钛表面制备载有血小板衍生生长因子的丝素蛋白涂层,结果显示接种其上的成骨细胞增殖和矿化能力增强,有利于种植的早期骨结合。

2.3 伤口敷料及缝线

种植术后伤口愈合情况是影响种植手术成功率的重要因素之一,若伤口愈合不良可能导致感染发生,从而进一步影响种植体骨结合[31]。电纺纳米纤维可制成伤口敷料或缝线,通过创造良好的创面愈合环境减少炎症、感染并促进伤口愈合。

有学者将搭载银纳米粒子的明胶/聚氨酯电纺纳米纤维膜作为口腔伤口敷料,体外抗菌实验表明具有良好的抗菌活性,并能抑制牙龈卟啉单胞菌、伴放线聚集杆菌和中间普氏菌等牙周致病菌生长,这些细菌同时也是种植体周围黏膜炎及种植体周围炎中的致病菌[32-33]。Schulz等[34]通过电纺技术得到明胶/PCL纳米纤维膜,将牙龈成纤维细胞与牙龈角质形成细胞接种其上,结果显示细胞生长状态良好,将它作为伤口敷料应用于种植术后牙龈裂开的小猪模型中,结果显示其能促进种植区创口的愈合。有学者利用电纺技术制备取向性PCL纳米纤维膜,其上负载有促血管生成的全反式维甲酸类药物,检测表明其能引导细胞方向性生长的同时增加成血管基因表达与新血管生成,并进一步构建动物模型证实了该纳米纤维膜对大鼠种植区软组织创口及全层皮肤创面有促愈合作用[35-36]。此外,作为种植手术相对禁忌证的糖尿病患者,氧化应激、慢性炎症刺激、新生血管减少等因素会导致其伤口愈合缓慢甚至不愈合,已有研究表明电纺纳米纤维制成的伤口敷料可有效促进糖尿病伤口愈合从而减少并发症发生,但是目前主要应用于皮肤创面,对口腔黏膜是否有疗效还有待进一步探索[37]。

电纺纳米缝线在促进伤口愈合及预防术后感染中也具有广阔的应用前景。Chen等[38]利用同轴静电纺丝技术制备出负载银纳米粒子和庆大霉素的PCL纳米纤维缝线,实验结果显示庆大霉素和银离子可持续释放超过5周并能抑制铜绿假单胞菌的生长,而对角质形成细胞和真皮成纤维细胞的增殖和迁移没有明显影响。Gu等[39]应用同轴静电纺丝技术开发出一种搭载转化生长因子-β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)的新型缝线,该缝线可持续释放TGF-β1一周以上并可促进人脐静脉内皮细胞的生长。

3 小结与展望

目前电纺纳米纤维在GBR、种植体表面改性、伤口敷料及缝线等方面逐步受到关注,有望成为口腔种植领域应用的理想材料。但是在大规模的临床应用中仍然存在一些挑战,如电纺过程中如何精确控制纳米纤维直径、形态、孔径及孔隙率等结构参数以适应不同细胞或组织生长条件的需要;探索环境友好型无毒溶剂体系以减低对纳米纤维及制造环境的污染;寻找合适的消毒或灭菌方法以最大程度减少对纳米纤维的影响;电纺过程的速度较慢等。此外,在国内外的文献报道中电纺纳米纤维的临床应用研究较少,远期效果还有待进一步观察。因此在未来可深入拓展对电纺聚合物及改性方法的研究,并加强电纺纳米纤维的体内及体外研究,从而为后续的临床应用奠定更丰富的理论基础。