骨缺損修復生物材料與骨再生（二）

三、骨缺損修復生物材料調控干細胞成骨分化

生物材料可通過攜帶生長因子、小分子化合物、基因、外泌體等成骨誘導藥物提高成骨誘導性能和骨再生效果。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行為。

1．材料載藥調控干細胞分化：

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，甚至時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[17]。

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

從大塊頜骨再生臨床轉化應用來看，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等成骨誘導因子實現缺損修復。Sandor等[22]借助β-TCP支架負載rhBMP-2和自體脂肪干細胞修復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，提示組織工程技術在大塊頜骨再生中的巨大潛力。

2．材料表面結構改性對干細胞分化的調控：

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

3．材料離子成分對干細胞分化的調控：

對骨修復無機支架材料而言，離子成分可通過化學合成或物理復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Sr離子一方面直接誘導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皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）和PDGF-BB等成血管誘導因子間接促進血管化[25]；Cu離子是通過上調骨髓干細胞內低氧誘導因子1α的表達，促進BMP-2和VEGF等成骨成血管誘導因子的分泌，提高血管化骨再生效果[26]。由于微納米結構和生物活性離子成分在調控干細胞成骨向分化上分別起到近程和遠程的刺激，二者在誘導骨再生方面具有一定的協同作用[27]。

四、骨缺失修復生物材料實現快速血管化

只有距離血管200 μm范圍內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)供應將導致細胞凋亡和壞死，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，目前組織工程領域常添加內皮細胞和成血管誘導因子等，主要包括體外預血管化、異位預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，材料自身結構的設計對大支架血管化調控起到極其重要的作用。

1．多孔/管道復合結構促進血管形成：

為促進血管化，傳統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，支架內部得不到滲透[29]。對大支架進行多孔/管道復合結構修飾時，不僅利于體外接種的細胞向支架材料內部的擴散和負載，還有利于營養(yǎng)、氧氣向支架內部的供應和交換，更重要的是還可以誘導宿主組織細胞沿管道快速長入支架內部，加速血管化進程[30]。在此基礎上，再結合使用內皮細胞或成血管誘導因子，有望實現大支架整體快速血管化。筆者課題組使用具有多孔/管道結構的絲蛋白支架負載內皮細胞，體外共培養(yǎng)1周以在支架多孔區(qū)形成毛細血管預構，當支架植入體內后，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存活率[31]。

2．多孔/管道復合結構協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作用，還可誘導血管形成[32,33]。在此基礎上結合三維打印技術，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，借助同軸打印技術將管道結構應用于骨再生修復支架中，一方面通過中空管道結構加速誘導血管長入，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作用，通過管道結構和生物活性離子成分共同實現缺損區(qū)的血管化骨再生[34]。上述研究展現了管道結構在誘導大塊頜骨再生支架血管化設計中的良好應用前景。

五、展望

骨修復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、結構和離子成分改性等方式調控干細胞成骨成血管分化，加速誘導血管化骨再生。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、電磁信號等也可調控成骨分化行為，為骨誘導性生物材料的綜合設計提供更多手段。除了生物材料的應用，無支架細胞膜片技術可在體外形成含細胞連接和豐富細胞外基質的微組織結構，在牙周組織再生等領域展示出較好的治療效果[35]。然而，在頜骨再生的質量、精確形態(tài)恢復、血管化提高及快速修復等方面尚存在諸多提升空間；生物材料和組織工程技術目前在臨床應用中尚缺乏標準化操作流程和規(guī)范，修復成功率也有待提高，其作為常規(guī)手段應用于臨床尚有很長的路要走，這些均需要多學科交叉領域內的研究者共同努力和推動。

來源：口腔空間