骨缺损修复生物材料与骨再生（二）

三、骨缺损修复生物材料调控干细胞成骨分化

生物材料可通过携带生长因子、小分子化合物、基因、外泌体等成骨诱导药物提高成骨诱导性能和骨再生效果。同时，材料表面形貌和成分的改性亦能影响干细胞的生物学行为。

1．材料载药调控干细胞分化：

材料作为药物缓控释载体，需满足以下条件：①药物能分散在支架材料中；②药物能以一定的速率释放出来；③支架材料在长时间内能保持稳定，同时也可以保护药物的活性[16]。通过对生物材料的改造，有望控制药物的释放速率、持续时间，甚至时空定量释放所需要的药物以优化骨再生效果。还可以靶向设计以投递到指定的组织细胞，能有效提高药物利用效率并减少全身性不良反应[17]。

组织工程实践中细胞因子常与支架材料联合使用以提高骨再生效率。骨形成蛋白2（bone morphogenetic protein，BMP-2）和血小板衍生生长因子（platelet-derived growth factor，PDGF）-BB等生长因子是骨再生中常用的生长因子，这些生长因子可以通过不同的信号通路促进干细胞的成骨向分化，提高体内骨再生效果。其中，BMP-2是公认的成骨诱导能力最强的生长因子，其不仅可以诱导间充质干细胞通过软骨内骨化过程参与成骨，还可以募集成骨细胞或诱导成肌细胞甚至成纤维细胞等向成骨细胞分化，生物材料缓释BMP-2用于骨再生已有大量基础及临床研究[18,19]。但BMP-2的使用存在一定的过度成骨风险，造成新生骨组织范围不可控和结构不规则[20]；Nell-1是新近发现的一种可导致颅缝早闭的分泌型蛋白，它能促进骨膜来源成骨细胞的成骨分化和加速矿化以调控颅骨发育过程中膜性成骨过程[21]，尽管其成骨效果总体上稍弱于BMP-2，但其诱导产生的新生骨组织更接近生理性修复状态，并可将骨再生更好地控制于缺损范围内。

从大块颌骨再生临床转化应用来看，已有部分个案报道使用胶原、β-TCP、HA等支架材料负载人重组（recombinant human，rh）BMP-2和rhBMP-7等成骨诱导因子实现缺损修复。Sandor等[22]借助β-TCP支架负载rhBMP-2和自体脂肪干细胞修复因下颌骨成釉细胞瘤切除造成的10 cm节段性缺损，并于10个月后行牙种植功能修复，提示组织工程技术在大块颌骨再生中的巨大潜力。

2．材料表面结构改性对干细胞分化的调控：

除负载生长因子等药物以诱导干细胞成骨分化外，微纳米结构修饰也可提高生物材料自身的成骨诱导性能。材料的表面形貌结构与组织细胞直接接触发挥作用，材料表面微米结构（如沟槽、凸起等）或纳米结构（如各种纳米图案、表面晶体结构差异等）可直接影响细胞的黏附、铺展、增殖、迁移及成骨分化等性能[23]。结构形貌修饰发挥功能的具体作用机制尚不清楚，可能是其造成了材料表面粗糙度的变化而影响细胞外基质蛋白的吸附规律，进而调控干细胞的生物学行为[24]。

3．材料离子成分对干细胞分化的调控：

对骨修复无机支架材料而言，离子成分可通过化学合成或物理复合等方法掺入支架中，随着支架材料降解释放出来，不仅能作用于材料表面黏附的干细胞，还可以对支架周围的干细胞起到"远程"作用。据报道，钙离子（Ca）、硅离子（Si）、镁离子（Mg）、锌离子（Zn）、锶离子（Sr）和铜离子（Cu）等均具有一定的刺激干细胞成骨向分化的能力，其中Si、Mg、Sr和Cu离子还同时具有促进血管化的功能。笔者课题组发现Sr离子一方面直接诱导骨髓干细胞成骨分化，另一方面通过刺激干细胞分泌血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）和PDGF-BB等成血管诱导因子间接促进血管化[25]；Cu离子是通过上调骨髓干细胞内低氧诱导因子1α的表达，促进BMP-2和VEGF等成骨成血管诱导因子的分泌，提高血管化骨再生效果[26]。由于微纳米结构和生物活性离子成分在调控干细胞成骨向分化上分别起到近程和远程的刺激，二者在诱导骨再生方面具有一定的协同作用[27]。

四、骨缺失修复生物材料实现快速血管化

只有距离血管200 μm范围内的组织细胞才能获取到养分，否则缺少及时的氧气和营养供应将导致细胞凋亡和坏死，严重影响干细胞再生效能的发挥。为提高多孔支架材料的血管化程度，目前组织工程领域常添加内皮细胞和成血管诱导因子等，主要包括体外预血管化、异位预血管化和原位血管化等方法，均可在一定程度上提高血管长入速度[28]。但大支架由于材料尺寸的限制，上述方法均很难实现类似带血管蒂自体骨移植的整体快速血管化效果。近期研究发现，材料自身结构的设计对大支架血管化调控起到极其重要的作用。

1．多孔/管道复合结构促进血管形成：

为促进血管化，传统的致孔法需要考虑孔径大小、孔隙率、孔间连通情况等因素。一般提高孔径大小与孔隙率，则支架的机械性能得不到保障，也降低了干细胞搭载量；减小孔径，则细胞营养交换效率降低，支架内部得不到渗透[29]。对大支架进行多孔/管道复合结构修饰时，不仅利于体外接种的细胞向支架材料内部的扩散和负载，还有利于营养、氧气向支架内部的供应和交换，更重要的是还可以诱导宿主组织细胞沿管道快速长入支架内部，加速血管化进程[30]。在此基础上，再结合使用内皮细胞或成血管诱导因子，有望实现大支架整体快速血管化。笔者课题组使用具有多孔/管道结构的丝蛋白支架负载内皮细胞，体外共培养1周以在支架多孔区形成毛细血管预构，当支架植入体内后，这些多孔区的毛细血管可与沿管道快速长入的宿主血管吻合连通，提高支架整体快速血管化的效果，大大提高了所负载干细胞的体内存活率[31]。

2．多孔/管道复合结构协同活性离子促进支架血管化：

早期研究证明，Sr、Mg离子不仅有成骨诱导作用，还可诱导血管形成[32,33]。在此基础上结合三维打印技术，笔者团队与中科院上海硅酸盐研究所合作，采用含Ca、Si、Mg的生物活性陶瓷粉制备打印浆体，借助同轴打印技术将管道结构应用于骨再生修复支架中，一方面通过中空管道结构加速诱导血管长入，另一方面利用白硅钙石材料释放的Si和Mg等离子发挥成骨成血管的诱导作用，通过管道结构和生物活性离子成分共同实现缺损区的血管化骨再生[34]。上述研究展现了管道结构在诱导大块颌骨再生支架血管化设计中的良好应用前景。

五、展望

骨修复生物支架材料可影响干细胞负载、存活、生长和分化，尤其是材料可通过药物投递、结构和离子成分改性等方式调控干细胞成骨成血管分化，加速诱导血管化骨再生。当然，影响干细胞分化和骨再生的刺激因素并不仅限于此，材料的硬度、力学、电磁信号等也可调控成骨分化行为，为骨诱导性生物材料的综合设计提供更多手段。除了生物材料的应用，无支架细胞膜片技术可在体外形成含细胞连接和丰富细胞外基质的微组织结构，在牙周组织再生等领域展示出较好的治疗效果[35]。然而，在颌骨再生的质量、精确形态恢复、血管化提高及快速修复等方面尚存在诸多提升空间；生物材料和组织工程技术目前在临床应用中尚缺乏标准化操作流程和规范，修复成功率也有待提高，其作为常规手段应用于临床尚有很长的路要走，这些均需要多学科交叉领域内的研究者共同努力和推动。

来源：口腔空间