牙髓牙本质组织工程生物支架材料的研究进展

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.08.021

中国组织工程研究 ›› 2013, Vol. 17 ›› Issue (8): 1455-1460.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.08.021

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牙髓牙本质组织工程生物支架材料的研究进展

刘琳，包广洁

西北民族大学口腔医学国家民委重点实验室，甘肃省兰州市 730030

收稿日期:2012-05-17 修回日期:2012-06-30 出版日期:2013-02-19 发布日期:2013-02-19
通讯作者: 包广洁，硕士，硕士生导师，教授，西北民族大学口腔医学国家民委重点实验室，甘肃省兰州市 730030 helenbgj@ sina.com
作者简介:刘琳★，女，1981年生，汉族，甘肃省武威市人，兰州大学口腔医学院在读硕士，主要从事口腔内科方面的研究。 woshiliulin2008@163.com

Biological scaffolds for pulp-dentin tissue engineering

Liu Lin, Bao Guang-jie

Key Laboratory of Stomatology of State Ethnic Affairs Commission, Northwest University for Nationalities, Lanzhou 730030, Gansu Province, China

Received:2012-05-17 Revised:2012-06-30 Online:2013-02-19 Published:2013-02-19
Contact: Bao Guang-jie, Master, Master’s supervisor, Professor, Key Laboratory of Stomatology of State Ethnic Affairs Commission, Northwest University for Nationalities, Lanzhou 730030, Gansu Province, China helenbgj@sina.com
About author:Liu Lin★, Studying for master’s degree, Key Laboratory of Stomatology of State Ethnic Affairs Commission, Northwest University for Nationalities, Lanzhou 730030, Gansu Province, China woshiliulin2008@ 163.com

摘要/Abstract

摘要：

背景：组织工程方法中选择合适的支架是关键性的步骤。
目的：回顾分析牙髓牙本质组织工程中支架材料的应用研究。
方法：由第一作者检索1993至2012年 PubMed数据及万方数据库有关牙髓牙本质组织工程中支架材料应用研究等方面的文献。
结果与结论：在牙髓牙本质组织工程中有包括天然生物、人工合成材料和复合材料在内的大量生物材料可供选择，每一种材料都有各自的生物学特点。其中胶原、聚酯、羟基磷灰石等是研究较多的支架材料。自组装多肽水凝胶是由氨基酸制成的新型支架材料，满足理想牙髓牙本质组织工程支架材料的大部分要求，是一种前景广阔的牙髓牙本质组织工程支架材料。

关键词: 生物材料, 生物材料综述, 牙髓牙本质, 组织工程, 支架, 自组装水凝胶, 胶原, 口腔生物材料

Abstract:

BACKGROUND: For tissue engineering strategies, the choice of an appropriate scaffold is a crucial step.
OBJECTIVE: To retrospectively analyze the application of scaffold materials in pulp-dentin tissue engineering.
METHODS: The first author searched PubMed and Wanfang databases (1993/2012) for relevant articles about scaffold materials used in pulp-dentin tissue engineering.
RESULTS AND CONCLUSION: A vast variety of biomaterials including natural materials, synthetic materials, and composite materials are available in pulp-dentin tissue engineering. Each material has its unique biological properties. Among them, collagen, polyester and hydroxyapatite scaffolds have been greatly studied. Self-assembling peptide hydrogel made from amino acid is a new-type scaffold that meets most of the demands of an ideal pulp-dentin tissue engineering scaffold. Therefore, self-assembling peptide hydrogel is a promising pulp-dentin tissue engineering scaffold.

Key words: biomaterials, biomaterial review, pulp-dentin tissue, tissue engineering, scaffolds, self-assembling peptide hydrogel, collagen, oral biomaterials

中图分类号:

R318

刘琳，包广洁. 牙髓牙本质组织工程生物支架材料的研究进展[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(8): 1455-1460.

Liu Lin, Bao Guang-jie. Biological scaffolds for pulp-dentin tissue engineering[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(8): 1455-1460.

图/表（结果） 4

2.1 理想牙本质牙髓组织工程支架材料应具备的条件 理想的牙本质牙髓组织工程支架材料应具备以下条件^[5]：①良好的生物相容性。有利于细胞黏附、增殖，无毒，不引起炎症反应。②合适的生物可降解性。降解速度可控，降解产物无毒且容易通过代谢途径排出体外。③足够的力学强度。应足以维持在培养期间结构的完整性以及植入后负荷的支撑和传递。④具有三维多孔结构。多孔结构应该是可控和适当的(即100%的贯通性，平均孔径大于200 μm，足够的表面体积比)，以允许细胞附着和生长，组织再生，血管形成及废弃物清除。⑤骨引导作用。应促进血管浸润，细胞浸润和附着及原位成骨。⑥药物释放。应允许附着的活性化合物释放。⑦可消毒。不会造成性能的损失。⑧可塑性。便于加工成所需形状，植入体内一段时间内仍可保持其形状。

2.2 天然生物材料 天然生物材料具有以下优点：成分接近于自然状态下的细胞外基质，生物相容性好；能够提供细胞外基质的化学和结构信息，能调节细胞行为并强化特定外观。但是也存在一些缺点：来源稀少，大量制备困难且质量差异较大；某些种类价格昂贵；降解速度、成孔情况难以人为控制；有传染与动物病原菌或引起免疫应答的风险；可塑性差等。牙髓牙本质组织工程中常用的天然生物支架材料包括胶原、藻酸盐、壳聚糖、羟基磷灰石、磷酸三钙等，见表1。

用胶原、藻酸盐、磷酸三钙、富血小板血浆、人牙本质基质作为支架进行牙体组织再生的体内实验显示，裸鼠体内产生钙化物质或牙本质、牙髓样物质^[6-11]，且由于富血小板血浆可由自体全血获得，避免免疫排斥反应，激活后富含多种生长因子，作为生物支架材有很大潜力^[7]。羟基磷灰石是骨和牙体硬组织的无机成分，具有和牙体硬组织相同的物理、力学和其他特性，但由于羟基磷灰石降解需要的时间长，可能会导致慢性炎症反应^[12]，因此单独使用羟基磷灰石作为牙髓牙本质组织工程支架材料的报道较少。人牙髓细胞在胶质、藻酸盐和壳聚糖支架上的生长实验表明，藻酸盐和胶质比壳聚糖更适合牙髓细胞的黏附与生长，碱性磷酸酶活性检测提示Ⅰ型胶原、Ⅲ型胶原和藻酸盐能较好促进牙髓干细胞的分化和生长，而壳聚糖完全不能诱导牙髓干细胞的分化^[13]。因此胶原可以促进干细胞的分化、黏附和生长，比其他天然生物材料更适合作为牙髓牙本质组织工程支架材料。

2.3 人工合成材料 人工合成的支架材料有以下优点：可以大规模生产；根据需要进行设计，使其具有符合特定要求的形状；材料内部可设计为多孔结构以方便细胞生长，增殖；降解速度可以调控；能将携带生物源性的病原体或污染物的危险降至最低程度；可将诱导因子等复合于支架材料上以促进细胞进行增殖和分化。牙髓牙本质组织工程中已经得到广泛研究的人工合成支架材料主要包括聚乳酸、聚乙醇酸、乳酸和羟基乙酸共聚物、丝蛋白、自组装多肽等，见表2。

聚乳酸、乳酸和羟基乙酸共聚物、丝蛋白作为支架的体内研究表明动物体内均形成矿化物质或牙髓样组织^[16-20]。Young等^[23]将接种有猪牙胚组织细胞，并具有牙齿形状的合成聚合物聚乳酸、聚羟基乙酸和乳酸和羟基乙酸共聚物支架植入鼠颌骨中，20周后观察到了具备牙釉质、牙本质组织结构的牙胚的生成。聚乙醇酸作为支架的体外研究显示在45-60 d后在聚羟基乙酸上形成牙髓样组织^[14-15]。也有研究显示了聚乳酸、聚羟基乙酸由于其代谢产酸在动物体内存在着引起邻近软组织菌性炎症的问题^[24]。另外，合成高分子聚合物支架材料缺乏在天然细胞外基质中发现的化学信息。Galler 等^[21-22]将牙髓干细胞种植在自组装多肽支架上进行培养，体外研究结果表明乳牙牙髓干细胞增殖速度较快，有许多软组织样结构形成；牙髓干细胞增殖速度较慢，但向成骨分化，并有矿化组织形成。体内研究结果显示5周后形成牙髓样有血管生成的软结缔组织。

2.4 复合材料 结合了天然生物材料和人工合成材料优点的复合生物支架材料能更好地满足种子细胞生长的需要。已有研究报道的牙髓牙本质组织工程复合生物支架材料见表3。

羟基磷灰石具有很好的生物活性、生物相容性和较高的结合能力，但由于它的力学性能较差、脆较大、且纯羟基磷灰石不易被吸收，限制其使用。与β-磷酸三钙复合后性能改善，应用较为广泛，将牙髓干细胞植入羟基磷灰石/β-磷酸三钙复合支架后进行体内实验，结果表明裸鼠体内产生了牙本质或牙本质-牙髓样复合物及骨^[25-27]。壳聚糖机械性能较差，降解产物会使局部pH值降低，可能导致生物体无菌性炎症反应。β-磷酸三钙具有良好的生物相容性和骨引导活性，机械性能好，其不足之处在于缺乏生物活性因子及无法控制其在体内的降解速率。壳聚糖与β-磷酸三钙组合成一种新的三维多孔结构复合材料，使其具有良好的机械强度及韧性，并利用β-磷酸三钙解产物呈碱性这一特性中和壳聚糖所产生的酸性物质，减轻或消除机体炎症反应^[34]。

复合支架材料的形状会影响材料的性能。将多孔羟基磷灰石/β-磷酸三钙、颗粒羟基磷灰石/β-磷酸三钙用作支架进行牙髓牙本质组织工程体内实验显示，使用多孔羟基磷灰石/β-磷酸三钙时在生成的牙本质样硬组织周围排列有成牙本质细胞样细胞；在使用颗粒羟基磷灰石/β-磷酸三钙时只观察到骨样硬组织^[36]。有研究表明复合支架材料孔径的大小对细胞黏附、增殖、分化也有一定影响^[37]。

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引言

材料方法

讨论

结果与展望

天然生物支架材料、人工合成支架材料及复合支架材料各有优缺点，但都不完全具备理想支架材料(天然细胞外基质)的结构和性质。聚乳酸等合成聚合物支架材料具有生物可降解性、生物相容性和易于制备且成本低等优点，但是缺乏在天然细胞外基质中生理学上发现的化学信息。相反的，胶原能提供天然细胞外基质的化学和结构信息，但是难于就具体应用进行定制。理想的支架材料应该和天然细胞外基质具有相似的结构，能够代表细胞复杂的分子信息，易于就具体应用进行改造。自组装多肽作为新型的生物支架材料是一种能被改造和定制并能因此解决特定组织工程用途不同需求材料的优秀模型。基于多肽的纳米纤维由于具有易于合成，化学多样性，材料行为不同方面的高度可控性成为非常有希望的基体。通常合成的长度为15-25个氨基酸，基于设计，通过自组装，产生纳米纤维状网络。

目前牙髓牙本质组织工程中研究的多肽支架都是基于Hartgerink博士实验室开发的系统^[38]，多肽分子被设计为具有被称为“域”的明确的功能区，能够被独立地改变和优化，因此允许定制自组装材料的设计。域以ABA基序排列，包含两性的B区和两侧带电的A区。交替出现的亲水性(丝氨酸)和疏水性(亮氨酸)氨基酸残基的B区驱动分子的组装过程。在水环境中，氨基酸侧链分布在主轴的两侧，2个多肽分子通过亮氨酸的疏水作用形成二聚体。因此，B区驱动多肽分子的自组装形成6 nm宽，2 nm高三明治样β折叠纳米纤维，其中平行于纤维生长轴形成氢键。两侧A区带电的氨基酸残基，例如带负电的谷氨酸盐或带正电的赖氨酸，保证水溶性并通过静电排斥作用防止纤维团聚。这些对团聚和排斥起相反作用的作用力能够通过纤维团聚来平衡。高价离子的加入能减小静电排斥作用，引起物理交联，纤维延展，捕获水，以及凝胶化。使用直径大约为6 nm的纤维，能够在模拟天然细胞外基质的纳米尺度和结构的多域多肽中形成水凝胶，细胞可以通过粘附分子粘附在纤维上，同时能和其他细胞发生作用。纳米纤维状水凝胶中细胞的三维生长使这些材料称为细胞运送的有希望的支架材料。

由于多肽链是天然产生的氨基酸制成的，所以最终材料具有生物相容性，并可以通过适当的设计使其具有生物可降解性。模拟天然细胞外基质中大量存在的分子上配位体的各种短肽基序能够引起细胞与基质作用的第一步—黏附。这些基序的纳入可以作为自组装多肽合成过程中的一部分来进行。多域多肽的力学性能可以通过多肽化学功能的改变而变化。纤维表面化学相对较小的变化（例如中间区基序或侧翼氨基酸残基的变化）将导致基质刚度的变化，可用于控制细胞行为。几种多域多肽具有剪切剪薄行为和剪切回复性，可用于注射器注射用。一些小分子量的多肽表现出抑菌性^[39]，通过在多肽中引入具有抑菌活性的基序能增加多肽的抑菌活性。表面富赖氨酸的多肽水凝胶通过多肽和带负电的细菌表面的静电作用破坏细菌细胞膜而具有抑菌活性^[40]。

自组装多肽支架材料具有以下优点：由氨基酸制成的，具有生物相容性，并可以通过适当的设计使其具有生物可降解性，降解产物为氨基酸单体，能插入至新合成的生物分子中或直接在宿主体内被代谢；能根据要求进行改性和定制，具有很强的可塑性；有抑菌活性，可以防止细菌感染；易运送，可注射，能够进入龋洞等狭小的空间，体液即可触发凝胶；水凝胶具有和软结缔组织相同的黏弹性，营养和代谢产物扩散速度快，能够形成均匀的细胞包覆；可以与成牙本质细胞有关的生长和分化因子合并，促进细胞的生长和分化；化学功能和生物力学性能可控，与天然细胞外基质有相似的生物活性、结构和生物相容性。因此自组装多肽是一种前景广阔的牙髓牙本质组织工程支架材料。

作者贡献：第一作者和通讯作者构思并设计本综述，分析并解析数据，所有作者共同起草，经通讯作者审校，第一作者对本文负责。
利益冲突：课题未涉及任何厂家及相关雇主或其他经济组织直接或间接的经济或利益的赞助。
伦理要求：无涉及伦理冲突的内容。
作者声明：文章为原创作品，数据准确，内容不涉及泄密，无一稿两投，无抄袭，无内容剽窃，无作者署名争议，无与他人课题以及专利技术的争执，内容真实，文责自负。

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天然生物支架材料、人工合成支架材料以及复合支架材料各有优缺点，但都不完全具备理想支架材料（天然细胞外基质）的结构和性质。聚乳酸等合成聚合物支架材料具有生物可降解性、生物相容性和易于制备且成本低等优点，但是缺乏在天然细胞外基质中生理学上发现的化学信息。相反的，胶原能提供天然细胞外基质的化学和结构信息，但是难于就具体应用进行定制。理想的支架材料应该和天然细胞外基质具有相似的结构，能够代表细胞复杂的分子信息，易于就具体应用进行改造。自组装多肽作为新型的生物支架材料是一种能被改造和定制并能因此解决特定组织工程用途不同需求的材料的优秀模型。基于多肽的纳米纤维由于具有易于合成，化学多样性，材料行为不同方面的高度可控性成为非常有希望的基体。通常合成的长度为15-25个氨基酸，基于设计，通过自组装，产生纳米纤维状网络。

自组装多肽支架材料具有以下优点：由氨基酸制成的，具有生物相容性，并可以通过适当的设计使其具有生物可降解性，降解产物为氨基酸单体，能插入至新合成的生物分子中或直接在宿主体内被代谢；能根据要求进行改性和定制，具有很强的可塑性；有抑菌活性，可以防止细菌感染；易运送，可注射，能够进入龋洞等狭小的空间，体液即可触发凝胶；水凝胶具有和软结缔组织相同的粘弹性，营养和代谢产物扩散速度快，能够形成均匀的细胞包覆；可以与成牙本质细胞有关的生长和分化因子合并，促进细胞的生长和分化；化学功能和生物力学性能可控，与天然细胞外基质有相似的生物活性、结构和生物相容性。因此自组装多肽是一种前景广阔的牙髓牙本质组织工程支架材料。

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