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支架微观形貌和力学性能对管状牙本质再生的影响

发布时间:2021-02-02 09:43 作者:金宝搏

  作者:刘艺萍,王珏,田子璐,翟培淞,王展麒,周延民,倪世磊,吉林大学口腔医院种植中心

  牙本质根据所在区域的不同和矿化的差异分为管周牙本质、管间牙本质和球间牙本质,管周牙本质矿化程度最高并形成牙本质小管的壁,笔者在此定义具有类似天然牙本质小管结构的牙本质为管状牙本质。天然牙本质具有形态良好、排列有序的牙本质小管,这些小管结构决定了牙本质生理功能的正常发挥,既有利于牙齿感受外部刺激,同时也为牙齿提供了机械支持。但在组织工程的牙本质再生研究中,产生的牙本质小管多结构紊乱、排列稀疏,甚至未出现牙本质小管。目前,多数生成牙本质小管的实验涉及对支架微观形貌和力学性能的改良。本文将综述支架材料的微观形貌和力学性能对管状牙本质再生的影响,旨在为管状牙本质再生研究提供思路。

  牙本质的形成是由成牙本质细胞完成的。原发性牙本质形成的初期,成牙本质细胞在极化和延长的过程中不断形成细胞器,极化标志着成牙本质细胞形态由对称变为非对称,柱状细胞体在面向髓腔侧单层排列,并在面向釉质的表面形成少量小而短的细胞突;成牙本质细胞分化完成后,开始分泌牙本质的有机基质,此时成牙本质细胞的长度约为30~40μm,排列紧密并形成许多间隙连接,建立了具有上皮样外观的细胞层;接下来细胞体不断向牙髓中心移动,留下细胞突埋在基质中,细胞突周围的牙本质基质发生矿化,进而形成容纳成牙本质细胞突的管状结构,即牙本质小管。由于每个成牙本质细胞都在基质中埋下一个单细胞突,因此有成千上万的牙本质小管从釉牙本质界处穿过牙本质到髓腔侧。其中,牙本质细胞的极化和排列是牙本质小管形成的基本条件。

  组织形态良好的牙本质小管与牙本质生理功能的正常发挥相关。首先,有序排列的牙本质小管在牙本质感受外部刺激中发挥重要作用。研究表明,牙本质对各种刺激敏感的原因是牙本质小管内部的感觉性A-δ纤维与小管液的水动力学活动相关联,若新生的牙本质不具有组织形态学良好的牙本质小管而类似于修复性牙本质,即使再生的A-δ纤维到达牙髓与牙本质连接处,牙的感觉功能也可能异常。

  牙本质小管的微观结构还可能为牙髓再生提供独特的微环境,其三维结构可能是细胞附着和分化的先决条件,开放的牙本质小管能通过促进细胞突延伸到牙本质小管中,而促进细胞的分化。此外,牙本质独特的管状结构也能为牙齿提供强有力的机械支持。然而,目前多数再生的牙本质类似修复性牙本质,牙本质小管排列紊乱,并明显弯曲,部分区域小管数目少甚至不含小管,形态更类似骨,又称骨样牙本质,这使得牙本质功能无法正常发挥。而成牙本质细胞的形态变化与极化排列是形成牙本质小管的基础,因此,如何调控牙本质再生过程中成牙本质细胞的生长是管状牙本质再生的关键。

  高孔隙率的特性可能与牙本质再生质量直接相关。有孔的支架相对无孔的支架更利于细胞进入支架内部空间,而促进干细胞黏附、增殖和分化。且高孔隙率的支架具有更大的表面积,更能模拟细胞生长的体内微环境而支持细胞生长。多孔支架的封闭环境还能促进细胞自分泌和旁分泌功能从而利于其牙源性分化,羟磷灰石/磷酸三钙复合陶瓷制造成60%孔隙率的多孔支架时,能再生出牙本质样组织,而将其制成颗粒状和纤维型支架时,则再生出骨样组织。

  聚-D,L-丙交酯/乙交酯通过气体发泡/颗粒浸出工艺处理形成孔径为250~425μm的多孔隙形态支架后,与根尖乳头干细胞共培养,能够再生出牙本质小管样结构。细胞能在该支架上紧密附着,且形成了类似纤维的基质,这利于管状牙本质的再生。但孔隙率并非越高越好,而应存在最佳范围。用孔隙率分别为25%、50%、65%和75%的双相磷酸钙支架培养人牙髓细胞,孔隙率65%的支架组牙本质相关基因和碱性磷酸酶表达量最高,最利于支持细胞分化和牙本质再生。因此,为了再生出高质量的管状牙本质,也应选择适当孔隙率的高孔隙率支架。

  再生管状牙本质可能需要孔径较大的支架。牙本质再生过程中,较大孔径的支架可为细胞生长提供足够的空间并且促进牙本质相关蛋白的释放,研究证明大孔径支架利于诱导人牙囊细胞的增殖以及向成牙本质细胞分化。El-Backly等发现,孔径范围为30~300μm的支架较孔径范围为8~250μm的支架更有利于有序的管状牙本质的再生。可能由于大孔有利于类骨质样基质的形成,而微孔则有利于牙本质样基质的沉积。该实验第2周时大孔较多的支架能形成更多类骨质样组织,为牙髓干细胞的黏附和分化提供更大的表面积进而形成了形态更好的管状牙本质。但适宜管状牙本质再生的具体孔径范围还需要进一步研究。

  支架三维层面的孔隙结构与分布特点也对管状牙本质的再生有重要影响。Vallés-Lluch等运用聚(甲基丙烯酸乙酯-羟乙基丙烯酸酯)(poly(ethylmethacrylate-co-hydroxyethylacrylate),P(EMA-co-HEA))与二氧化硅的合成支架,再生出典型的管状牙本质。该支架具有类似天然牙本质的孔隙结构和分布特点,呈均匀分布的圆柱状孔,因而模拟了干细胞黏附和生长的天然环境而有利于牙本质生成。具有高度互连孔结构的纤维聚(L-乳酸)支架也被证明支持了牙髓干细胞的牙源性分化和牙本质样组织的形成,孔的这种结构特点允许细胞从周围组织迁移到孔内因而能为细胞生长提供良好的环境。可见,管状牙本质再生时对支架三维结构的设计不可忽视。

  作为一种比表面积大、颗粒尺寸小、生物相容性高的材料,近年来,纳米材料被广泛应用于牙的再生中。有多项实验证明了纳米材料比非纳米材料更能促进人牙髓干细胞的黏附、增殖和牙源性分化。Wang等以20nm的纳米生物活性玻璃(nanobioactiveglass,n-BG)作为支架时,能够再生出具有组织结构良好的牙本质小管和极化排列的成牙本质细胞样细胞的牙本质样组织,且厚度均匀并连续,而在微米级的BG(microscaleBG,m-BG)上产生的牙本质更稀薄。管状牙本质的成功再生与该纳米支架的特性相关。

  例如,纳米材料有较高的表面积与体积比,这使它降解速度快,而能够为扩增的细胞和再生组织提供空间;纳米结构还可以改善营养、氧气供应且能够促进细胞代谢废物的清除,有助于细胞生长和细胞外基质的产生;有研究表明,20nm粒径大小纳米材料利于细胞的增殖与活性;纳米级别的材料通过促进蛋白质与材料表面之间的静电相互作用,增强蛋白质的吸附力,进而改善再生过程中细胞的黏附力;此外,与微米级的材料相比,纳米级的材料具有较大的表面积和孔体积,这可能会使n-BG释放的离子量增加(硅、钙等),利于调节成牙本质细胞的排列过程,从而使细胞在n-BG表面比在m-BG表面更规则地排列。

  将支架设计为开放有序的管状也是再生策略之一,可能由于管状结构类似于天然牙本质小管形态。一项实验以结构高度有序的管状基质作为支架成功再生出形态及功能良好的管状牙本质,而利用非管状结构支架的再生结果不具有这些特征。该管的密度为2×104mm-2,孔径为2~5μm。相对于非管状结构支架,管状结构的支架更利于控制牙髓干细胞的排列、迁移、极化和分化;且管状基质的每个管状孔均完全开放,这可能利于细胞突延伸到牙本质小管;在分子水平上,管状基质支架可能激活丝裂原激活的蛋白激酶/细胞外调节蛋白激酶/1/2信号传导途径,从而促进细胞分化和管状牙本质形成。

  另一项实验中,管状结构支架还被证明对细胞分化有促进作用,实验用类似牙本质管状结构的管径20μm微管状支架培养小鼠牙髓干细胞,较扁平非管状支架的对照组,更利于干细胞向成牙本质细胞分化,并且促进分化的作用随着微管密度的增加而加强。

  牙本质再生中,调节支架刚度可以直接影响再生组织类型,提升支架刚度可能利于管状牙本质再生。当以不同刚度的P(EMA-co-HEA)支架材料进行牙本质再生时,发现以高刚度的材料作为支架能再生形成更典型的管状牙本质。这可能是由于高刚度的P(EMA-co-HEA)支架具有更接近于人类牙本质的压缩模量,不易变形,再生过程中保持了完整的形态,进而为细胞生长提供良好的空间,利于细胞分泌基质。另外,材料的刚度还可能调节相关细胞信号通路进而影响干细胞的黏附、增殖、迁移和分化,进而影响再生组织类型及质量。Qu等提出,高刚度[压缩模量为(18.23±0.54)kPa]的明胶基质更有利于牙本质形成,而低刚度[压缩模量为(0.89±0.43)kPa]的明胶基质有利于形成牙髓组织。

  一项利用微图案化的明胶基质作为支架的实验再生出了形态和功能良好的管状牙本质,该支架拉伸强度在干燥和潮湿时分别为(7.67±0.88)MPa和(2.79±0.13)MPa,这可能是利于牙髓干细胞分化的适当机械强度。合适的机械强度可维持细胞向材料内生长和基质产生所需的空间。还有学者提出,机械强度高的材料,具有优异的机械稳定性,更利于牙髓干细胞分化和牙本质样组织的形成。但利于牙本质小管产生的具体机械强度还需要进一步研究。

  目前成功再生管状牙本质的实验中,对支架力学性能的研究还不够深入。另外,除刚度和机械强度外,其他力学性能,如硬度,也被证实与牙髓干细胞的生长相关。若旨在成功再生出管状牙本质,其他力学性能作为影响因素同样不能忽视。

  随着医学、生物学与材料学的不断的发展,促进牙本质再生成为修复牙体组织缺损和治疗牙的相关疾病的新方法,组织工程牙本质再生越来越受到研究人员的关注。管状牙本质的再生直接影响到再生牙本质的机械强度和感觉功能等。支架能提供细胞生长的微环境,其微观结构和力学性能是影响组织工程牙本质再生的重要因素。如何调整支架特性,进一步结合生长因子促进管状牙本质的再生,进而使再生的牙本质具有更接近天然牙本质的生物学特性,将是未来组织工程牙本质再生研究中的重要方向。

  来源:刘艺萍,王珏,田子璐,翟培淞,王展麒,周延民,倪世磊.支架微观形貌和力学性能对管状牙本质再生的影响[J].华西口腔医学杂志,2020,38(03):318-322.


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