支架微觀形貌和力學性能對管狀牙本質再生的影響

劉藝萍 王玨 田子璐 翟培淞 王展麒 周延民 倪世磊

吉林大學口腔醫院種植中心，長春 130000

牙本質根據所在區域的不同和礦化的差異分為管周牙本質、管間牙本質和球間牙本質，管周牙本質礦化程度最高并形成牙本質小管的壁[1]，筆者在此定義具有類似天然牙本質小管結構的牙本質為管狀牙本質。天然牙本質具有形態良好、排列有序的牙本質小管，這些小管結構決定了牙本質生理功能的正常發揮，既有利于牙齒感受外部刺激，同時也為牙齒提供了機械支持[2-3]。但在組織工程的牙本質再生研究中，產生的牙本質小管多結構紊亂、排列稀疏，甚至未出現牙本質小管。目前，多數生成牙本質小管的實驗涉及對支架微觀形貌和力學性能的改良。本文將綜述支架材料的微觀形貌和力學性能對管狀牙本質再生的影響（圖1），旨在為管狀牙本質再生研究提供思路。

1 牙本質小管的形成與功能

牙本質的形成是由成牙本質細胞完成的。原發性牙本質形成的初期，成牙本質細胞在極化和延長的過程中不斷形成細胞器，極化標志著成牙本質細胞形態由對稱變為非對稱，柱狀細胞體在面向髓腔側單層排列，并在面向釉質的表面形成少量小而短的細胞突；成牙本質細胞分化完成后，開始分泌牙本質的有機基質，此時成牙本質細胞的長度約為30～40 μm，排列緊密并形成許多間隙連接，建立了具有上皮樣外觀的細胞層；接下來細胞體不斷向牙髓中心移動，留下細胞突埋在基質中，細胞突周圍的牙本質基質發生礦化，進而形成容納成牙本質細胞突的管狀結構，即牙本質小管。由于每個成牙本質細胞都在基質中埋下一個單細胞突，因此有成千上萬的牙本質小管從釉牙本質界處穿過牙本質到髓腔側。其中，牙本質細胞的極化和排列是牙本質小管形成的基本條件[4-5]。

圖1 管狀牙本質再生相關影響因素Fig 1 Factors related to tubular dentin regeneration

組織形態良好的牙本質小管與牙本質生理功能的正常發揮相關。首先，有序排列的牙本質小管在牙本質感受外部刺激中發揮重要作用[6]。研究[2]表明，牙本質對各種刺激敏感的原因是牙本質小管內部的感覺性A-δ纖維與小管液的水動力學活動相關聯，若新生的牙本質不具有組織形態學良好的牙本質小管而類似于修復性牙本質，即使再生的A-δ纖維到達牙髓與牙本質連接處，牙的感覺功能也可能異常。牙本質小管的微觀結構還可能為牙髓再生提供獨特的微環境[7]，其三維結構可能是細胞附著和分化的先決條件[8]，開放的牙本質小管能通過促進細胞突延伸到牙本質小管中，而促進細胞的分化[9]。此外，牙本質獨特的管狀結構也能為牙齒提供強有力的機械支持[3]。

然而，目前多數再生的牙本質類似修復性牙本質，牙本質小管排列紊亂，并明顯彎曲，部分區域小管數目少甚至不含小管，形態更類似骨，又稱骨樣牙本質，這使得牙本質功能無法正常發揮。而成牙本質細胞的形態變化與極化排列是形成牙本質小管的基礎[5]，因此，如何調控牙本質再生過程中成牙本質細胞的生長是管狀牙本質再生的關鍵。

2 支架的微觀形貌

2.1 孔隙特征

高孔隙率的特性可能與牙本質再生質量直接相關。有孔的支架相對無孔的支架更利于細胞進入支架內部空間，而促進干細胞黏附、增殖和分化[10-12]。且高孔隙率的支架具有更大的表面積，更能模擬細胞生長的體內微環境而支持細胞生長[11,13]。多孔支架的封閉環境還能促進細胞自分泌和旁分泌功能從而利于其牙源性分化，羥磷灰石/磷酸三鈣復合陶瓷制造成60%孔隙率的多孔支架時，能再生出牙本質樣組織，而將其制成顆粒狀和纖維型支架時，則再生出骨樣組織[14]。聚-D,L-丙交酯/乙交酯通過氣體發泡/顆粒浸出工藝處理形成孔徑為250～425 μm的多孔隙形態支架后，與根尖乳頭干細胞共培養，能夠再生出牙本質小管樣結構[15]。細胞能在該支架上緊密附著，且形成了類似纖維的基質，這利于管狀牙本質的再生。但孔隙率并非越高越好，而應存在最佳范圍。用孔隙率分別為25%、50%、65%和75%的雙相磷酸鈣支架培養人牙髓細胞，孔隙率65%的支架組牙本質相關基因和堿性磷酸酶表達量最高，最利于支持細胞分化和牙本質再生[16]。因此，為了再生出高質量的管狀牙本質，也應選擇適當孔隙率的高孔隙率支架。

再生管狀牙本質可能需要孔徑較大的支架。牙本質再生過程中，較大孔徑的支架可為細胞生長提供足夠的空間并且促進牙本質相關蛋白的釋放，研究[17]證明大孔徑支架利于誘導人牙囊細胞的增殖以及向成牙本質細胞分化。El-Backly等[18]發現，孔徑范圍為30～300 μm的支架較孔徑范圍為8～250 μm的支架更有利于有序的管狀牙本質的再生?？赡苡捎诖罂子欣陬惞琴|樣基質的形成，而微孔則有利于牙本質樣基質的沉積。該實驗第2周時大孔較多的支架能形成更多類骨質樣組織，為牙髓干細胞的黏附和分化提供更大的表面積進而形成了形態更好的管狀牙本質。但適宜管狀牙本質再生的具體孔徑范圍還需要進一步研究。

支架三維層面的孔隙結構與分布特點也對管狀牙本質的再生有重要影響。Vallés-Lluch等[19]運用聚（甲基丙烯酸乙酯-羥乙基丙烯酸酯）（poly(ethyl metha crylate-co-hydroxyethyl acrylate)，P(EMA-co-HEA)）與二氧化硅的合成支架，再生出典型的管狀牙本質。該支架具有類似天然牙本質的孔隙結構和分布特點，呈均勻分布的圓柱狀孔，因而模擬了干細胞黏附和生長的天然環境而有利于牙本質生成。具有高度互連孔結構的纖維聚（L-乳酸）支架也被證明支持了牙髓干細胞的牙源性分化和牙本質樣組織的形成[20]，孔的這種結構特點允許細胞從周圍組織遷移到孔內因而能為細胞生長提供良好的環境[21-22]?？梢?，管狀牙本質再生時對支架三維結構的設計不可忽視。

2.2 尺寸

作為一種比表面積大、顆粒尺寸小、生物相容性高的材料，近年來，納米材料被廣泛應用于牙的再生中。有多項實驗[23-24]證明了納米材料比非納米材料更能促進人牙髓干細胞的黏附、增殖和牙源性分化。

Wang等[25]以20 nm的納米生物活性玻璃（nanobioactive glass，n-BG）作為支架時，能夠再生出具有組織結構良好的牙本質小管和極化排列的成牙本質細胞樣細胞的牙本質樣組織，且厚度均勻并連續，而在微米級的BG（microscale BG，m-BG）上產生的牙本質更稀薄。管狀牙本質的成功再生與該納米支架的特性相關。例如，納米材料有較高的表面積與體積比，這使它降解速度快，而能夠為擴增的細胞和再生組織提供空間[26]；納米結構還可以改善營養、氧氣供應且能夠促進細胞代謝廢物的清除，有助于細胞生長和細胞外基質的產生[27]；有研究[28]表明，20 nm粒徑大小納米材料利于細胞的增殖與活性；納米級別的材料通過促進蛋白質與材料表面之間的靜電相互作用，增強蛋白質的吸附力，進而改善再生過程中細胞的黏附力[29-30]；此外，與微米級的材料相比，納米級的材料具有較大的表面積和孔體積[31]，這可能會使n-BG釋放的離子量增加（硅、鈣等），利于調節成牙本質細胞的排列過程，從而使細胞在n-BG表面比在m-BG表面更規則地排列[25]。

2.3 形狀

將支架設計為開放有序的管狀也是再生策略之一，可能由于管狀結構類似于天然牙本質小管形態。一項實驗[32]以結構高度有序的管狀基質作為支架成功再生出形態及功能良好的管狀牙本質，而利用非管狀結構支架的再生結果不具有這些特征。該管的密度為2×104mm-2，孔徑為2～5 μm。相對于非管狀結構支架，管狀結構的支架更利于控制牙髓干細胞的排列、遷移、極化和分化；且管狀基質的每個管狀孔均完全開放，這可能利于細胞突延伸到牙本質小管；在分子水平上，管狀基質支架可能激活絲裂原激活的蛋白激酶/細胞外調節蛋白激酶/1/2信號傳導途徑，從而促進細胞分化和管狀牙本質形成[11]。另一項實驗[33]中，管狀結構支架還被證明對細胞分化有促進作用，實驗用類似牙本質管狀結構的管徑20 μm微管狀支架培養小鼠牙髓干細胞，較扁平非管狀支架的對照組，更利于干細胞向成牙本質細胞分化，并且促進分化的作用隨著微管密度的增加而加強。

3 支架的力學性能

3.1 剛度

牙本質再生中，調節支架剛度可以直接影響再生組織類型，提升支架剛度可能利于管狀牙本質再生。當以不同剛度的P(EMA-co-HEA)支架材料進行牙本質再生時，發現以高剛度的材料作為支架能再生形成更典型的管狀牙本質。這可能是由于高剛度的P(EMA-co-HEA)支架具有更接近于人類牙本質的壓縮模量，不易變形，再生過程中保持了完整的形態，進而為細胞生長提供良好的空間，利于細胞分泌基質[19]。另外，材料的剛度還可能調節相關細胞信號通路進而影響干細胞的黏附、增殖、遷移和分化[34-35]，進而影響再生組織類型及質量。Qu等[36]提出，高剛度[壓縮模量為（18.23±0.54）kPa]的明膠基質更有利于牙本質形成，而低剛度[壓縮模量為（0.89±0.43）kPa]的明膠基質有利于形成牙髓組織。

3.2 機械強度

一項利用微圖案化的明膠基質作為支架的實驗[11]再生出了形態和功能良好的管狀牙本質，該支架拉伸強度在干燥和潮濕時分別為（7.67±0.88）MPa和（2.79±0.13）MPa，這可能是利于牙髓干細胞分化的適當機械強度。合適的機械強度可維持細胞向材料內生長和基質產生所需的空間[37]。還有學者[38]提出，機械強度高的材料，具有優異的機械穩定性，更利于牙髓干細胞分化和牙本質樣組織的形成。但利于牙本質小管產生的具體機械強度還需要進一步研究。

3.3 其他

目前成功再生管狀牙本質的實驗中，對支架力學性能的研究還不夠深入。另外，除剛度和機械強度外，其他力學性能，如硬度[39]，也被證實與牙髓干細胞的生長相關。若旨在成功再生出管狀牙本質，其他力學性能作為影響因素同樣不能忽視。

4 結語

隨著醫學、生物學與材料學的不斷的發展，促進牙本質再生成為修復牙體組織缺損和治療牙的相關疾病的新方法，組織工程牙本質再生越來越受到研究人員的關注。管狀牙本質的再生直接影響到再生牙本質的機械強度和感覺功能等。支架能提供細胞生長的微環境，其微觀結構和力學性能是影響組織工程牙本質再生的重要因素。如何調整支架特性，進一步結合生長因子促進管狀牙本質的再生，進而使再生的牙本質具有更接近天然牙本質的生物學特性，將是未來組織工程牙本質再生研究中的重要方向。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。