【干细胞论坛】骨缺损修复生物材料与骨再生（一）

颌骨是整个颜面部的支撑结构，不仅决定了人的面部形态和容貌特征，还承担着咀嚼、言语、吞咽、呼吸和吮吸等重要生理功能；因肿瘤、创伤、炎症及先天性疾病等造成的颌骨缺损严重影响患者的身心健康和生活质量。目前，临床上针对颌骨缺损患者，除赝复体修复治疗外，还有以下两种常用方法：①自体骨移植，仍然作为颌骨大范围缺损修复的金标准，尤其是带血管蒂骨移植具有确切的修复效果，但这毕竟是一种"拆东墙补西墙"的治疗方式，存在供骨区创伤、一定的失败率和需要多次手术等诸多缺点，会给患者带来额外的损伤；②骨修复材料，临床上常用的有Bio-Oss骨粉、羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）、β-磷酸三钙（β-tricalcium phosphate，β-TCP）等材料，尽管在牙槽窝位点保存等小范围骨缺损修复中取得了较好的治疗效果，但由于这些材料在修复过程中主要起到骨传导的作用，本身缺乏成骨诱导能力，可导致修复时间过长且不能用于颌骨大范围缺损修复。结合两者综合分析，带蒂自体骨的成功可归结于其具有大量参与骨修复的活细胞及整体快速血管化再通的能力，提高了大块颌骨再生的成功率和效率，为骨修复材料成骨性能的改善和优化提供了参考。

随着干细胞技术、组织工程和再生医学的发展，以生物支架材料及相关改性材料为基础、结合干细胞构建组织工程骨复合物成为颌骨再生的新思路。本文将重点阐述生物材料调控干细胞的投递、存活和分化及其在骨缺损再生修复中的作用。

一、骨修复生物支架材料的基本要求

在骨再生过程中，支架材料可为种子细胞的黏附、增殖与分化提供微环境，维系一定的立体构型而引导血管等组织细胞的迁移生长，并可作为活性蛋白因子等药物的载体，更好地调控新骨形成[1,2]。因此，选择合适的生物材料是大块颌骨再生的关键。对于骨修复支架材料而言，一般需要具备以下基本要求：①良好的生物相容性。在生物体内，材料应不影响组织细胞的正常活性，不干扰、抑制分子信号通路，不引起机体局部及全身毒性反应[3]。材料的生物相容性还体现在骨诱导性、骨重建性和血管化水平，这些特性对骨再生具有积极意义。②生物可降解性。支架材料在生物体内按照一定的速率降解对于骨再生而言是十分重要的特性。理想的生物材料应具有可控的降解速率和降解方式，材料降解的同时伴随新生骨矿化、沉积。骨再生中生物支架材料的降解速率控制在3至6个月为宜[4]。③多级孔隙结构。材料内部相互连通的多孔结构是骨修复支架设计中的关键内容之一。O'Brien团队提出支架中孔隙直径为200~350 μm时，更利于成骨细胞的黏附和增殖；而多级微纳米结构的综合设计，可能实现更多的功能需求和更好的骨再生效果[5]。④良好的机械性能。支架材料在应用中必须具有一定的机械强度以满足骨缺损处的机械支撑要求。理想支架材料的机械强度和弹性模量等参数应与天然骨组织相匹配。由于颌骨组织支撑着正常面部外形和容貌特征，并承担咀嚼、语言和吞咽等复杂精细的生理功能，颌骨组织缺损的精确再生修复至关重要，颌骨支架材料的个性化制备也成为今后的发展方向。

二、骨缺损修复生物材料作为干细胞的投递载体

干细胞具有自我更新和多向分化能力，理论上可在体外扩增至足够数量并被诱导分化为成骨细胞，进而用于骨再生治疗。可用于骨再生的干细胞种类很多，仅从口腔颌面部分离培养的成体干细胞种类即达10余种。近年来，干细胞在颌骨再生中的应用已有大量系统性研究，展示了其在颌骨再生中的优势和价值，如自2013以年，来自美国密歇根大学牙科学院和密歇根口腔健康研究中心与Aastrom生物科学公司的研究人员首次报道了干细胞用于颌面骨再生的临床随机对照试验，该项临床试验涉及24例拔牙后接受牙槽骨保存的患者，相比传统的骨修复治疗方法，利用CD14+和CD90+的干细胞再生颌面骨组织更有效且侵入性更小[6]。生物材料作为干细胞载体，可模拟细胞外基质成分，形成细胞的三维培养环境，调节细胞黏附、增殖、迁移和分化，以提高干细胞在体内的使用量和存活率，进一步提高骨再生效率。目前，研究较多的可作为干细胞投递载体的生物材料根据化学组成可分为生物活性陶瓷/玻璃、合成高分子材料等种类。

1．生物活性陶瓷/玻璃：

此类生物材料中最具代表性的是磷酸钙生物活性陶瓷，包括：HA、β-TCP、双相磷酸钙。因其化学成分及结构与天然骨的矿化基质相近，此类材料常用来制备载细胞支架[7]。这些传统的三维多孔支架材料孔径大小、分布及孔隙率都能影响干细胞的负载和体内存活，材料中负载Sr、Zn等活性离子调节细胞黏附、血管再生，也可促进新骨形成[8,9]。

2．合成高分子材料：

高分子材料按来源可分为天然高分子材料，如：多聚糖类（壳聚糖）、蛋白类（胶原）、丝素蛋白和海藻酸盐等；人工合成材料，如：聚乳酸、聚乙醇酸和聚己内酯等。高分子材料相比无机材料的优势在于可控的降解性能、良好的生物相容性及易于构建[10]，特别是天然高分子材料作为干细胞载体，有良好的生物相容性，可提高干细胞的存活率。骨髓干细胞负载于β-TCP/HA支架材料用于异位成骨，干细胞植入体内7 d后基本完全消失[11]；而笔者团队前期研究使用多孔丝蛋白支架负载干细胞修复大鼠颅骨缺损，体内放置至第8周时仍有大量干细胞存活，且这些干细胞可被生长因子诱导分化参与血管化骨再生[12]。高分子类材料可制备成多种形式应用于科研与临床中。例如水凝胶一类亲水聚合物通过交联剂形成的高含水生物材料，用于包被干细胞以提高干细胞的使用量，可以通过可注射途径直接加入缺损区，也可通过先滴加于多孔支架内再移植于缺损区的方式提高骨再生效果[13]。近年来，生物打印技术的成熟使水凝胶材料受到更多重视，水凝胶材料作为干细胞载体，在快速成型技术的辅助下可直接形成人体器官或组织[14]，为骨再生带来新的策略与希望。另外，利用高分子材料搭配先进的制造技术，可制备成微球载体，是另外一种有利于干细胞体外扩增培养及体内高效使用的新方法，尤其是多孔微球，高比表面积使其能负载更多的细胞且细胞在三维微环境中能更好地生长，体内应用方式也可多样化，体外培养形成的细胞外基质成分能完整保留，有助于干细胞更好、更快地参与骨再生[15]。

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]。

来源：口腔空间