骨组织工程应用于颌骨缺损修复的研究进展

隋晓栋　冯爽　李丹

【摘要】 颌面部大面积骨缺损的修复是口腔颌面外科手术的一大难题。目前临床常用的修复方式包括：赝复体修复、血管化骨肌瓣移植、同种异体骨移植等技术。近年来，随着骨组织工程技术研究的逐步深入，为修复颌骨缺损带来了新的思路。

【关键词】 骨组织工程； 支架材料； 成骨因子

doi：10.14033/j.cnki.cfmr.2017.1.084 文献标识码 A 文章编号 1674-6805（2017）01-0150-02

【Abstract】 The repair of large area bone defect in the maxillofacial region has been a major problem in oral and maxillofacial surgery.At present，the methods of repairing in clinic includs prosthesis prosthesis，vascularized bone flap transplantation，allograft bone transplantation，and so on.In recent years，with the deepening of the research of bone tissue engineering，it brings a new way of thinking for repairing jaw defects.

【Key words】 Bone tissue engineering； Scaffold material； Osteogenic factor

First-authors address：Binzhou Medical University，Binzhou 264003，China

骨组织工程是利用医学原理与工程技术结合[1]，将体外培养及扩增后得到的种子细胞，接种于具备良好生物相容性且能够吸收降解的支架材料上，辅以诱导因子诱导细胞的增殖以及新血管的长入，逐渐达到修复骨缺损的目的的一种修复方式[2]。目前实验室已在种子细胞选择、支架材料选取、细胞与支架材料结合及血管化等方面取得了较大进步，但是存在的问题也不能忽视。

1 载体材料

优良的支架材料可促进种子细胞的黏附与增殖，具有与组织细胞生长相一致的生物降解性。目前，人工合成材料、天然衍生材料和复合支架材料是臨床实验阶段常用的骨组织工程支架材料。

1.1 人工合成材料支架

人工合成无机材料中广泛应用于骨替代材料的是羟基磷灰石为代表的磷酸钙陶瓷，机体对这类材料的免疫抑制较轻，但此类材料存在脆性强、可塑性差、在机体难以降解等缺点。对于人工合成材料的改进，Young等通过快速反应烧结结合压紧呈盘技术构建了钙铝黄长石多空陶瓷材料支架，通过与传统双相磷酸钙陶瓷支架相比，成骨细胞的黏附及增殖率显著提高，同时检测到成骨基因（RunX2、骨钙素、骨桥蛋白、骨涎蛋白）等的较高表达水平[3]。与传统无机材料降解性较差不同，该材料能够促进形成抗酒石酸酸性磷酸酶从而激活骨髓细胞产生多核破骨细胞，增强了支架材料的可降解性。

1.2 天然衍生支架材料

天然衍生支架材料等高分子材料具备良好的可塑形，可根据需要制成颌骨缺损的复杂形态。Ren等[4]应用聚乳酸-羟基乙酸共聚物制造出约100～250 ?m孔径的支架材料与骨髓间充质干细胞复合培养修复兔下颌骨缺损，发现术后3个月下颌骨缺损完全修复。虽然高分子材料可以用于骨组织工程材料，但其较差的机械强度，不易有效的与细胞因子信号识别等缺点也同样不能忽视。

1.3 复合支架材料

目前对单一类型支架材料的研究从未停止，但单一支架材料的固有缺陷常常难以克服[5]。随着基础研究和修复重建材料的进步，利用先进手段将有机/无机材料整合成为复合支架材料在实际应用中获得了很好的修复效果。

现常用的复合材料主要有生物陶瓷材料与天然高分子材料的复合、纳米羟基磷灰石与胶原复合等[6]。康献刚等[7]通过将同种异体骨粉与高分子材料壳聚糖结合制成复合多空支架，结果发现与对照组单纯壳聚糖制备的支架相比，冷冻干燥制备的复合多孔支架在新生骨量以及成骨速度方面具有显著优势。此实验构建的复合支架材料克服了单一壳聚糖支架不具备成骨作用的缺陷，具有良好孔隙率，有利于细胞的黏附和新血管的形成，为成功修复各种复杂形态颌骨缺损提供了良好的应用前景。

近年来在医学领域开展的3D打印技术[8]，经过20多年的发展，该技术现已应用于口腔种植、骨科、口腔颌面外科手术中。在3D打印技术的辅助下，制备的生物支架材料可实现孔径、孔隙率、贯通性的调控，同时具备精度高及可重复性等优势。张海峰等[9]运用3D打印技术构建聚乳酸（PLA）-羟基磷灰石（HA）复合支架并在新西兰大白兔单侧胫骨内侧建立体内生物反应器模型，结果生成了较多的新生骨组织并且骨小梁的排列致密。可见结合3D打印技术的复合材料能在体内生物反应器内构建性能较好的组织工程骨。

2 种子细胞

种子细胞是骨组织工程中生物活性的来源，理想的种子细胞应该具有成骨潜能，优良的增殖和分化能力，细胞易于获取无致瘤性倾向等特性。

2.1 骨髓来源种子细胞

骨髓中含有间充质干细胞，在一定条件的诱导下能增殖分化成骨组织，属于多潜能干细胞。Shen等[10]构建犬自体髂骨骨块复合骨髓间充质干细胞膜片作为实验组，单纯犬自体髂骨骨块作为对照组，分别植入到上颌骨两侧骨缺损缝隙中，观察比较两组术后的骨吸收率，骨小梁密度等指标。结果显示，实验组犬上颌缺损裂隙中新形成骨的骨体积分数以及骨密度高于对照组。此实验也证明骨髓间充质干细胞膜片有促进新骨形成的潜力。

2.2 其他来源种子细胞

由于脂肪、肌肉、外周血等组织同样可分离出间充质干细胞且增殖能力优于骨髓间充质干细胞，同时具有来源广泛获取时创伤小等优势被越来越多的运用到骨组织工程[11]。Feng等[12]通过构建β-磷酸三钙支架结合脂肪干细胞，应用富含血小板血浆（PRP）提供细胞因子构建组织工程骨作为实验组修复兔下颌骨缺损，不加入脂肪干细胞，只将β-磷酸三钙支架及富含血小板血浆（PRP）的支架材料作为对照组。术后半年检测骨体积分數、骨密度等指标，发现实验组均高于对照组。此实验提示新型脂肪干细胞/β-磷酸三钙支架（β-TCP）/富含血小板血浆（PRP）复合物可应用于颌骨修复及组织工程当中。

3 生长因子

种子细胞的生长、分化受很多信号共同参与调控。其中，生长因子、细胞因子、生长抑制因子等共同参与了这一系统调控。目前研究者多是运用基因工程技术构建病毒或非病毒载体，将具有成骨能力的基因转染至种子细胞内，通过细胞增殖实现成骨能力基因的大量表达，促进局部成骨。

人骨形态发生蛋白7（hBMP-7）是最早应用于临床的BMP，BMP-7主要通过诱导间充质干细胞内的转录因子Run字2和Osterix的表达，实现向成骨细胞的分化[13]。汪卫国等[14]利用AdEasy腺病毒，构建了携带人骨形态发生蛋白7（hBMP-7）基因的重组腺病毒载体，经体外转染实验，观察复合犬骨髓基质干细胞（DMSCs）的珊瑚羟基磷灰石（coral hydroxyapatite，CHA）支架在修复下颌骨缺损的效果，结果显示材料与周围骨质紧密结合，最终形成的组织呈现交织状骨组织学特征。

人工合成神经多肽P物质（SP）是一种小分子多肽，是动员干细胞和促进创伤修复的重要分子，体外人工合成方便易得，并且没有不良药理作用或遗传毒性，王天珏等[15]构建自固化磷酸钙（CPC）-明胶-SP复合组织工程材料支架植入兔下颌骨状缺损模型当中观察支架形态与骨愈合情况，通过与对照组固化磷酸钙（CPC）-明胶复合支架植入后颌骨缺损修复情况相比，加载活性物质SP后，能够在材料内、外部释放多肽生物活性，从而发挥自主诱导机体干细胞动员的能力，Micro CT显示实验组周围骨质愈合良好，且材料内成骨效率优于对照组。此实验也证实人工合成神经多肽P物质能够促进种子细胞在体内的成骨化。

4 存在问题与展望

口腔颌面部有着特殊的解剖生理外形，身处多种微生物环境之中，这些都增加了骨组织工程修复颌骨缺损的难度，在继续发展和完善骨组织工程三大技术的同时，对于阻碍和影响骨组织工程发展的相关技术的解决以及涉及到骨组织工程发展的相关政策法规、医疗产品质量标准规范的制定等，仍是骨组织工程工作者努力的方向。

参考文献

[1]黄旭，刘建华.口内入路下颌骨良性肿瘤切除同期自体骨移植修复重建术的临床研究[J].中国修复重建外科杂志，2014，28（2）：192-196.

[2] Venkatesan J，Kim S K.Chitosan composites for bone tissue engineering-an overview[J].Mar Drugs，2010，8（8）：2252-2266.

[3] Roohani-Esfahani S I，No Y J，Lu Z，et al.A bioceramic with enhanced osteogenic properties to regulate the function of osteoblastic and osteocalastic cells for bone tissue regeneration[J].Biomed Mater，2016，11（3）：035018.

[4] Ren T，Ren J.The bone formation in vitro and mandibular defect repair using PLGA porous scaffolds[J].Biomed Mater Res A，2005，74（4）：562-569.

[5] Pu Y，Wu H，Lu S，et al.Adiponectin Promotes Human Jaw Bone Marrow Stem Cell Osteogenesis[J].Dental Research，2016，3（26）：1-7.

[6]赵天源，孙红.骨组织工程支架材料及其血管化的研究进程[J].中国组织工程研究，2013，17（38）：6832-6838.

[7]康献刚，赵智远.壳聚糖-同种异体骨粉复合多孔支架修复大鼠骨缺损的实验研究[J].中国修复重建外科杂志，2016，30（3）：298-302.

[8] Bandyopadhyay A，Das S.3D printing of biomaterials[J].MRS Bull，2015，40：108-115.

[9]张海峰，杜子婧，毛曦媛，等.3D打印PLA-HA复合材料构建组织工程骨的实验研究[J].国际骨科学杂志，2016，37（1）：57-63.

[10] Shen Y，Ma H Y.Bone mesenchymal stem cell sheet transplantation combined with autologous iliac bone for repair of alveolar cleft[J].Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu，2014，18（50）：8108-8112.

[11] Kern S，Eichler H.Comparative analysis of mesenchymal stem cells from bone marrow umbilical cord blood， or adipose tissue[J].Stem Cells，2006，24（5）：1294-1301.

[12] Feng Z H，Liu J Q.Biotin-avidin mediates the binding of adipose-derived stem cells to a porous β-tricalcium phosphate scaffold：Mandibular regeneration[J].Experimental and Therapeutic Medicine，2015，11（22）：737-746.

[13] Xiao Y T，Xiang L X.Bonemorphogenet[J].Biochem Bionphys Res Communun，2007，362（3）：550-560.

[14]汪卫国，李伟奇，邓咏华，等.hBMP-7基因修饰犬骨髓基质干细胞复合珊瑚羟基磷灰石修复下颌骨缺损[J].口腔医学研究，2015，31（1）：4-6.

[15]王天珏，吴迪.P物质促进磷酸钙-明胶复合材料支架修复颌骨缺损的研究[J].口腔医学，2015，12（35）：999-1002.

（收稿日期：2016-09-22）