骨缺損修復(fù)生物材料與骨再生（二）

三、骨缺損修復(fù)生物材料調(diào)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(dǎo)藥物提高成骨誘導(dǎo)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(xué)行為。

1．材料載藥調(diào)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(nèi)能保持穩(wěn)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(xù)時間，甚至?xí)r空定量釋放所需要的藥物以優(yōu)化骨再生效果。還可以靶向設(shè)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(yīng)[17]。

組織工程實踐中細胞因子常與支架材料聯(lián)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(nèi)骨再生效果。其中，BMP-2是公認的成骨誘導(dǎo)能力最強的生長因子，其不僅可以誘導(dǎo)間充質(zhì)干細胞通過軟骨內(nèi)骨化過程參與成骨，還可以募集成骨細胞或誘導(dǎo)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(chǔ)及臨床研究[18,19]。但BMP-2的使用存在一定的過度成骨風(fēng)險，造成新生骨組織范圍不可控和結(jié)構(gòu)不規(guī)則[20]；Nell-1是新近發(fā)現(xiàn)的一種可導(dǎo)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(diào)控顱骨發(fā)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(dǎo)產(chǎn)生的新生骨組織更接近生理性修復(fù)狀態(tài)，并可將骨再生更好地控制于缺損范圍內(nèi)。

從大塊頜骨再生臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)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(dǎo)因子實現(xiàn)缺損修復(fù)。Sandor等[22]借助β-TCP支架負載rhBMP-2和自體脂肪干細胞修復(fù)因下頜骨成釉細胞瘤切除造成的10 cm節(jié)段性缺損，并于10個月后行牙種植功能修復(fù)，提示組織工程技術(shù)在大塊頜骨再生中的巨大潛力。

2．材料表面結(jié)構(gòu)改性對干細胞分化的調(diào)控：

除負載生長因子等藥物以誘導(dǎo)干細胞成骨分化外，微納米結(jié)構(gòu)修飾也可提高生物材料自身的成骨誘導(dǎo)性能。材料的表面形貌結(jié)構(gòu)與組織細胞直接接觸發(fā)揮作用，材料表面微米結(jié)構(gòu)（如溝槽、凸起等）或納米結(jié)構(gòu)（如各種納米圖案、表面晶體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形貌修飾發(fā)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(zhì)蛋白的吸附規(guī)律，進而調(diào)控干細胞的生物學(xué)行為[24]。

3．材料離子成分對干細胞分化的調(diào)控：

對骨修復(fù)無機支架材料而言，離子成分可通過化學(xué)合成或物理復(fù)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(jù)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(fā)現(xiàn)Sr離子一方面直接誘導(dǎo)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(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）和PDGF-BB等成血管誘導(dǎo)因子間接促進血管化[25]；Cu離子是通過上調(diào)骨髓干細胞內(nèi)低氧誘導(dǎo)因子1α的表達，促進BMP-2和VEGF等成骨成血管誘導(dǎo)因子的分泌，提高血管化骨再生效果[26]。由于微納米結(jié)構(gòu)和生物活性離子成分在調(diào)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(dǎo)骨再生方面具有一定的協(xié)同作用[27]。

四、骨缺失修復(fù)生物材料實現(xiàn)快速血管化

只有距離血管200 μm范圍內(nèi)的組織細胞才能獲取到養(yǎng)分，否則缺少及時的氧氣和營養(yǎng)供應(yīng)將導(dǎo)致細胞凋亡和壞死，嚴重影響干細胞再生效能的發(fā)揮。為提高多孔支架材料的血管化程度，目前組織工程領(lǐng)域常添加內(nèi)皮細胞和成血管誘導(dǎo)因子等，主要包括體外預(yù)血管化、異位預(yù)血管化和原位血管化等方法，均可在一定程度上提高血管長入速度[28]。但大支架由于材料尺寸的限制，上述方法均很難實現(xiàn)類似帶血管蒂自體骨移植的整體快速血管化效果。近期研究發(fā)現(xiàn)，材料自身結(jié)構(gòu)的設(shè)計對大支架血管化調(diào)控起到極其重要的作用。

1．多孔/管道復(fù)合結(jié)構(gòu)促進血管形成：

為促進血管化，傳統(tǒng)的致孔法需要考慮孔徑大小、孔隙率、孔間連通情況等因素。一般提高孔徑大小與孔隙率，則支架的機械性能得不到保障，也降低了干細胞搭載量；減小孔徑，則細胞營養(yǎng)交換效率降低，支架內(nèi)部得不到滲透[29]。對大支架進行多孔/管道復(fù)合結(jié)構(gòu)修飾時，不僅利于體外接種的細胞向支架材料內(nèi)部的擴散和負載，還有利于營養(yǎng)、氧氣向支架內(nèi)部的供應(yīng)和交換，更重要的是還可以誘導(dǎo)宿主組織細胞沿管道快速長入支架內(nèi)部，加速血管化進程[30]。在此基礎(chǔ)上，再結(jié)合使用內(nèi)皮細胞或成血管誘導(dǎo)因子，有望實現(xiàn)大支架整體快速血管化。筆者課題組使用具有多孔/管道結(jié)構(gòu)的絲蛋白支架負載內(nèi)皮細胞，體外共培養(yǎng)1周以在支架多孔區(qū)形成毛細血管預(yù)構(gòu)，當支架植入體內(nèi)后，這些多孔區(qū)的毛細血管可與沿管道快速長入的宿主血管吻合連通，提高支架整體快速血管化的效果，大大提高了所負載干細胞的體內(nèi)存活率[31]。

2．多孔/管道復(fù)合結(jié)構(gòu)協(xié)同活性離子促進支架血管化：

早期研究證明，Sr、Mg離子不僅有成骨誘導(dǎo)作用，還可誘導(dǎo)血管形成[32,33]。在此基礎(chǔ)上結(jié)合三維打印技術(shù)，筆者團隊與中科院上海硅酸鹽研究所合作，采用含Ca、Si、Mg的生物活性陶瓷粉制備打印漿體，借助同軸打印技術(shù)將管道結(jié)構(gòu)應(yīng)用于骨再生修復(fù)支架中，一方面通過中空管道結(jié)構(gòu)加速誘導(dǎo)血管長入，另一方面利用白硅鈣石材料釋放的Si和Mg等離子發(fā)揮成骨成血管的誘導(dǎo)作用，通過管道結(jié)構(gòu)和生物活性離子成分共同實現(xiàn)缺損區(qū)的血管化骨再生[34]。上述研究展現(xiàn)了管道結(jié)構(gòu)在誘導(dǎo)大塊頜骨再生支架血管化設(shè)計中的良好應(yīng)用前景。

五、展望

骨修復(fù)生物支架材料可影響干細胞負載、存活、生長和分化，尤其是材料可通過藥物投遞、結(jié)構(gòu)和離子成分改性等方式調(diào)控干細胞成骨成血管分化，加速誘導(dǎo)血管化骨再生。當然，影響干細胞分化和骨再生的刺激因素并不僅限于此，材料的硬度、力學(xué)、電磁信號等也可調(diào)控成骨分化行為，為骨誘導(dǎo)性生物材料的綜合設(shè)計提供更多手段。除了生物材料的應(yīng)用，無支架細胞膜片技術(shù)可在體外形成含細胞連接和豐富細胞外基質(zhì)的微組織結(jié)構(gòu)，在牙周組織再生等領(lǐng)域展示出較好的治療效果[35]。然而，在頜骨再生的質(zhì)量、精確形態(tài)恢復(fù)、血管化提高及快速修復(fù)等方面尚存在諸多提升空間；生物材料和組織工程技術(shù)目前在臨床應(yīng)用中尚缺乏標準化操作流程和規(guī)范，修復(fù)成功率也有待提高，其作為常規(guī)手段應(yīng)用于臨床尚有很長的路要走，這些均需要多學(xué)科交叉領(lǐng)域內(nèi)的研究者共同努力和推動。

來源：口腔空間