基于引导骨再生应用的胶原膜研究进展

基于引导骨再生应用的胶原膜研究进展

引用本文：朱梦迪，张曦月，王强，等.基于引导骨再生应用的胶原膜研究进展[J]. 中国实用口腔科杂志，2025，18（1）：27-33. DOI：10.19538/j.kq.2025.01.005

作者简介

周建，教授、博士研究生导师。现任首都医科大学科技处副处长，首都医科大学附属北京口腔医院科技处副处长、特诊特需科主任医师。兼任中华口腔医学会口腔医学科研管理分会委员、口腔生物医学专业委员会常务委员、全科口腔医学专业委员会委员，北京口腔医学会副秘书长兼继续教育学部部长、口腔急诊专业委员会副主任委员、牙及牙槽外科专业委员会常务委员，北京医学会医学科学研究管理学分会常务委员等职务。主要研究方向：颌面组织再生、种植及牙槽外科临床研究。作为项目负责人主持国家自然科学基金面上项目3项、国家自然科学基金应急项目1项、北京市自然科学基金等省部级项目8项。以第一/通信作者发表论文42篇，第一作者代表性论著发表于干细胞与再生医学国际高水平杂志Nature Materials。主编科普书籍《父母牙齿好，儿女更安心——老年人口腔保健》、主译口腔医学史著作《如齿神奇》、副主编学术专著《硝酸盐与机体稳态》、参编全国高等学校八年制及“5+3”一体化临床医学专业第四轮规划教材《口腔医学》及学术专著《法医齿科学》。获国家发明专利授权9项，实用新型专利6项。

作者姓名：朱梦迪1a，张曦月2，王    强2，周    建1b，3，4

基金项目：北京市自然科学基金（7222079）；首都医学科技创新成果转化优促计划（YC202301QX0061）；中国医学科学院院基科费项目（2024-JKCS-19）；首都医科大学科研培育基金（自然类）（PYZ23158）

作者单位：1. 首都医科大学附属北京口腔医院a急诊综合诊疗中心，b特诊特需科，北京 100050；2. 中国医科大学口腔医学院·附属口腔医院，辽宁省口腔疾病重点实验室，辽宁 沈阳 110002；3. 首都医科大学口腔健康北京实验室，北京 100069；4. 首都医科大学附属北京天坛医院口腔和全身健康融合与转化研究实验室，北京 100070

通信作者：周建，电子信箱：zhoujian@ccmu.edu.cn

摘要：屏障膜的应用作为引导骨再生（guided bone regeneration，GBR）的关键技术，影响其成骨效果。胶原膜是临床上常用的屏障膜材料。文章归纳了胶原膜的组织来源，探讨了胶原膜的物理、化学及生物酶交联方法的优势及局限，梳理了各种细胞因子、生物因子、金属离子、抗生素对胶原膜的负载和表面改性效果，并对胶原膜的研究前景做一展望。

关键词：引导骨再生；胶原膜；交联；表面改性

牙槽骨是支撑牙齿的基础，在维持咀嚼功能方面具有重要作用。由于创伤或疾病导致的牙槽骨缺损或缺失严重影响了患者的口腔健康和生活质量。近年来，引导骨再生（guided bone regeneration，GBR）技术在牙槽骨缺损修复中被广泛应用。在GBR过程中，屏障膜对于正常的骨再生至关重要，其主要作用是阻挡生长较快的软组织侵入骨缺损区，从而为骨组织的再生提供适当的空间和时间。因此，屏障膜应具有良好的生物相容性，适当的力学性能以维持骨再生空间，理想的吸收时间以防止上皮细胞迁移到骨缺损区，为骨再生提供充足的时间，并具有一定刺激骨形成的能力［1-2］。

屏障膜大致可分为不可吸收型和可吸收型［1］。不可吸收膜理论上可稳定维持骨生长空间，适用于复杂的牙槽骨重建，如垂直向骨缺损和较大面积的水平向骨缺损［3］。但不可吸收膜需二次手术进行移除，并可能早期暴露在口腔中，导致感染甚至GBR治疗失败［4-6］。可吸收膜不会给患者带来二次手术的额外创伤，其中胶原膜因其对成纤维细胞具有趋化作用、对成骨细胞具有很强的黏附性等优越的生物相容性和生物活性在临床上广泛应用［7］。然而，大多数胶原膜降解速度快、对成骨空间的体积稳定性差，牙龈开裂后膜的早期暴露会加速其破碎和降解，从而影响骨再生。因此，目前研究热点为通过物理、化学、生物酶的交联方法，以延长胶原蛋白降解时间和提高其力学性能［8-9］。此外，越来越多的研究关注对胶原膜进行活性化合物的负载，如生长因子、细胞因子、无机化合物和抗炎药等。本文对胶原膜的组织来源、交联方法及表面改性方面研究进展做一概述、梳理和总结，为其下一步研究方向提供参考依据。

1    胶原膜的组织来源
不同物种及同一物种不同部位获得的胶原，在结构和组成上存在着很大差异，同时也会影响植入体内后胶原膜周围的炎症反应和材料的降解过程［10］。目前可用的胶原蛋白主要来自哺乳动物的心包和皮肤，其与人类胶原蛋白具有高度同源性［11］。哺乳动物的真皮内胶原蛋白含量达60% ~ 70%，胶原纤维排列成网状［12］。但是，因皮肤组织内含有大量血管、淋巴管、毛囊及汗腺，因此提取纯化的步骤较为繁琐［13］。肌腱内的胶原蛋白含量占其干重的85%，且大部分由Ⅰ型胶原蛋白组成。肌腱内的胶原蛋白提取后仍保持横向堆叠排列，由此研究者们提出其可能具有更高的化学物理稳定性［14］。心包内的胶原蛋白呈波浪状、多向排列，因此其表现出较为优异的多向抗撕裂性。此外，有研究表明来自心包的胶原蛋白在植入大鼠体内12周后仍具有屏障性能［15］。

哺乳动物中，猪和牛是胶原蛋白提取的重要来源；除此之外，马来源的胶原蛋白因与人胶原蛋白的高同源性成为了牛胶原蛋白的替代品。有研究表明，猪来源的胶原蛋白膜具有较高的抗降解性能，而马来源的胶原蛋白膜抗降解性能较差［10］。除哺乳动物外，海洋生物如水母，也逐渐成为提取胶原蛋白的目标生物。水母可含有高达60%的胶原蛋白，且与哺乳动物Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ型胶原蛋白同源。水母来源的胶原蛋白也显示出比牛来源的胶原蛋白更高的成骨细胞诱导能力［16］。总体来看，猪胶原蛋白抗降解能力强，在临床上应用较多。此外，随着对海洋生物资源认识的加深，水母等海洋生物胶原蛋白的潜力将被进一步挖掘，为胶原蛋白领域带来新的发展机遇。
2    胶原膜的交联
天然胶原膜能够良好地与宿主组织相融合，免疫排斥反应较弱，从而成为修复组织缺损、促进创口愈合的理想选择［17］。然而，由于胶原分子本身的结构特性，使其构成的膜材料在承受外力时易发生形变甚至破裂。见图1a。在体内环境中，天然胶原膜会逐渐被酶解或水解，过快的降解可能导致屏障膜无法为骨组织修复提供足够的空间和时间［8］。而过慢的降解则可能引发异物反应，影响组织的正常愈合过程［18］。因此，在不破坏生物学性能的前提下，提高非交联胶原膜机械性能、降低其降解时间成为研究的新方向。

交联作为一种有效提高胶原膜材料机械性能的方法得到广泛研究。交联通过引入分子内和分子间的共价键或非共价键来抑制胶原分子在压力下的滑动，从而增加胶原纤维的刚度、抗拉强度、压缩模量，并降低其延展性［19］。同时，分子间交联还可掩盖胶原的裂解位点，提高胶原对酶降解的抵抗力［20］。见图1b。胶原膜的交联主要包括物理、化学及生物酶3种方法（图2）。





2. 1    物理交联方法    物理交联方法主要有紫外线（ultraviolet，UV）法和脱水（dehydrothermal，DHT）法。这两种方法不需要加入任何化学制剂，可避免增加胶原膜的生物毒性。UV诱导形成高度活性的自由基，而自由基介导芳香氨基酸残基上形成纤维内和纤维外羰基共价键［21］。然而，在交联过程中会不断发生UV诱导的胶原变性，破坏其稳定作用［22］。已有研究指出，仅靠UV法诱导无法达到高交联密度，难以使胶原膜获得较强的机械性能；因此，UV法常辅助其他交联方法共同使用；与非交联胶原膜相比，UV法所得膜具有更佳的可压缩性、溶胀率和更高的蛋白水解稳定性［23-24］。
DHT法是另一种常见的物理交联方法，其需要在真空条件下将材料暴露于高温中，通过脱水形成分子间酰胺键和酯键。与UV法相比，DHT法能有效降低胶原纤维在胶原酶内的溶解率，同时比UV法更适于处理较厚的材料［25］。交联密度在一定范围内随温度和时间的增加而增大，过高的温度和过长的加工时间会导致胶原蛋白的三螺旋结构被破坏，显著降低其力学性能。目前普遍认为，DHT法的较佳温度为140 ~ 150 ℃［26］。DHT膜除了在体内表现出良好的组织相容性以外，还比非交联胶原膜具有更好的酶降解抗性和抗拉强度［27］。
如上所述，物理交联方法的应用也有一定局限。其一，物理交联方法通常不引入外源性化学物质，仅通过物理手段使胶原分子间发生交联。然而，这种交联方法往往难以达到较高的交联度，即胶原分子间的连接不够紧密和稳定。其二，物理交联过程中，交联点的形成可能受到多种因素的影响，如光照强度、照射时间、脱水程度等。这些因素的不均匀性可能导致胶原膜内部交联程度的不一致性，从而影响其整体性能。

2. 2    化学交联方法    目前应用较广泛的传统胶原交联剂是戊二醛（glutaraldehyde，GA），其具有成本低、反应活性高、水溶液溶解度高等特点。然而，GA残留物具有局部细胞毒性及易引起炎症反应［25］。使用1-乙基-3-（3-二甲氨基丙基）碳二亚胺/N-羟基丁二酰亚胺［1-ethyl-3-（3-dimethylaminopropyl）carbodiimide/N-hydroxysuccinimide，EDC-NHS］交联过程中的所有残留物都是水溶性的，因此交联后易将残留物用蒸馏水从材料中洗出。也有研究表明，DHT/EDC交联胶原膜，即将物理DHT法与EDC化学法结合制备出的胶原膜，与非交联胶原膜相比表现出良好的酶抗性、机械性能和一定的骨再生能力［27-28］。
除此之外，天然交联剂也被广泛应用，其较化学交联剂在生物相容性方面具有显著优势。表没食子儿茶素-3-没食子酸酯（epigallocatechin-3-gallate，EGCG）是一种常用的天然交联剂，EGCG交联胶原膜可显著下调人成骨肉瘤MG63细胞分泌的炎症因子水平，促进巨噬细胞的募集，同时具有很强的促血管化能力。然而，高浓度的EGCG对细胞活性也有轻微的抑制作用［29］。栀子花中提取的Genipin是另一种常用的天然交联剂，其细胞毒性仅为GA的0.01%，并具有显著的抗炎特性，但制作成本较高［30］。此外，用氧化海藻酸钠（sodium oxide alginate，OSA）进行交联可显著改善胶原膜的抗压强度和溶胀性能，延长降解时间［31］。天然多酚也被广泛用作胶原蛋白的天然交联剂，具有优异的抗炎、抗菌和抗癌特性［32］。总体而言，天然交联剂在生物相容性方面具有显著优势，尽管可能存在成本或浓度控制问题，但其独特的生物活性和环境友好性使其成为未来研究和应用的重要方向。

2. 3    生物酶交联方法    胶原蛋白在体内的交联和稳定性很大程度上取决于酶促反应。胶原膜的生物酶交联方法是一种利用生物酶催化反应来实现胶原蛋白分子间交联的技术。这种方法具有生物相容性好、残留物少等优点，因此在生物医学领域具有广阔的应用前景。最具代表性的是谷氨酰胺转胺酶，其催化ε-（γ-谷氨酰）-赖氨酸异肽键的形成，将与矿化组织形成相关的各种蛋白质组装成聚合物形式，参与基质稳定、软骨细胞和成骨细胞分化及基质矿化［33］。与化学交联方法相比，生物酶交联方法具有生物相容性好、残留物少及条件温和等优点。由于使用生物酶作为催化剂，交联产物具有良好的生物相容性，能够减少免疫反应和异物排斥反应。交联反应后，可通过简单的处理去除未反应的酶和其他杂质，减少残留物的风险。此外，酶促反应通常在常温常压下进行，不需要高温高压等极端条件，有利于保持胶原蛋白的天然结构和活性［25］。
3    胶原膜的表面改性
传统胶原膜虽具有良好的生物相容性和可降解性，但在提高细胞黏附性、促进组织再生及增强药物负载能力等方面存在局限性。除上述通过各种交联方法改善胶原膜的物理化学特性外，通过添加细胞因子、生长因子、金属离子、抗生素等，可改变胶原膜的组成和结构，调节成骨细胞的黏附、增殖和分化，促进屏障膜周围新骨的形成［34］。

3. 1    细胞因子和生长因子    细胞因子或生长因子与胶原膜结合后，会改变屏障膜周的微环境，有些因子具有促进骨再生的功能。血小板衍生生长因子（platelet-derived growth factor，PDGF）是一种有效的有丝分裂和化学诱导剂，特别是PDGF-BB，可有效促进牙周细胞有丝分裂［35］。已有研究证实，重组PDGF-BB与胶原膜结合可在前3 d释放60%的有效成分，并可在体外持续释放约3周，且其可在骨缺损部位缓慢释放长达1个月［36］。骨形态发生蛋白（bone morphogenetic proteins，BMP）也是有效促进骨再生的生物活性分子。其中，BMP-2已被证明可诱导软骨形成及骨硬化的发生，表现出很强的成骨潜力［37］。有研究表明，与BMP-2相比，BMP-9加载的胶原膜有更强的骨诱导潜能［38］。同时，BMP-9加载的胶原膜也能更好地诱导水平骨缺损闭合［39］。在其他研究中，基质细胞衍生因子-1α（stromal cell-derived factor-1α，SDF-1α）作为一种经典的趋化因子，可促进骨髓源性基质干细胞（bone marrow-derived stromal stem cells，BMSCs）的募集、增殖和分化，介导显著的骨再生和血管生成［40-41］。虽然这些研究都证明了通过膜传递活性分子的可行性，但目前屏障膜材料中添加生长因子和活性因子的主要技术难点在于解决蛋白质因子的不稳定性（如构象变化和降解）问题，以及如何控制其长期释放有效和安全的浓度［42］。目前，负载生长因子相关DNA或RNA，以替代生长因子的蛋白质形式是较为可行的解决方案。有研究证实，通过非病毒载体将编码PDGF-B的pDNA或含有编码BMP-2、BMP-9的cmRNA递送到胶原蛋白支架上，都可有效增强成骨性能［43-45］。
3. 2    金属离子    大量研究表明，锌、镁、钴、锶等微量元素的加入也可改变屏障膜周的免疫微环境，进一步增强胶原的生物活性，诱导新骨的形成。锌是一种有效的骨免疫调节剂，影响巨噬细胞极化和成骨细胞分化。同时，锌可通过调节基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMP）的生物活性来调节胶原降解［46］。负载1%和2%锌的羟基磷灰石加入到胶原蛋白基质中，在体外和大鼠体内均表现出优越的生物相容性，并能加强促进多核巨细胞（multinucleated giant cells，MNGC）的形成［8］。此外，金属有机框架晶体修饰的电纺非对称双层聚己内酯/胶原蛋白膜内负载锌后，具有较强的骨诱导性和血管生成能力［47］。镁在体外已被证明对多种骨细胞具有促进作用［48］。锶没有细胞毒性，可促进成骨细胞分化并激活成骨细胞标志物——骨桥蛋白的表达，锶对破骨细胞的骨吸收也有抑制作用［49］。上述证据表明，微量元素在骨组织再生中是有效的生物活性调节剂，作用效果较为稳定，不易分解，且没有细胞毒性［25］。然而，金属离子的作用通常是浓度依赖性的，如何控制其释放的速率和浓度仍需进一步研究。
3. 3    抗生素    在骨组织再生过程中，植入屏障膜后的细菌感染可能会激活破骨细胞，引起屏障膜周的骨吸收。尤其是在口内发生屏障膜的早期暴露时，如何有效降低术后感染的风险成为研究的新方向。胶原膜中添加抗菌剂和抗生素，如四环素、甲硝唑和银离子，可有效在发生膜暴露时防止细菌感染［50-51］。抗生素负载的胶原膜多无明显的细胞毒性，具有有效的抗炎作用［52］。同时，已有研究证实阿莫西林、庆大霉素、万古霉素负载的屏障膜也有利于骨组织再生，支持成骨细胞生长及诱导间充质干细胞的成骨分化等功能［53-57］。
综上，胶原膜的表面改性可调节胶原膜的降解速度及提升其机械强度。同时，也可提高其生物相容性，增强细胞黏附性，有效促进屏障膜周成骨反应。改性后的胶原膜能更好地与生物体组织相容，减少排斥反应。然而，胶原膜的表面改性也需要复杂的工艺和设备支持，包括精确的交联度控制、交联剂的筛选和纯化等步骤，增加了生产成本和工艺难度。尽管新型交联剂具有较低的细胞毒性，但其长期安全性和生物相容性仍需进一步研究和验证。未来研究应继续探索更高效、安全和可控的改性方法，以推动胶原膜在更多领域的应用和发展。
4    总结
在GBR技术中，采用屏障膜以阻止软组织向内生长已成为一种标准化且成效显著的治疗策略。根据材料的性质，屏障膜主要分为可吸收与不可吸收两大类，其在手术操作、并发症及长期疗效上展现出不同的特点。尽管不可吸收膜因需二次手术取出而稍显繁琐，但其卓越的机械强度和屏障效能，在处理复杂的大型或垂直骨缺损时依然是不可或缺的选择。相比之下，可吸收膜，尤其是胶原膜，因无需二次手术取出及独特的生物学特性，成为理想的屏障膜材料。

胶原蛋白的来源影响着其生物反应及降解模式。传统上，哺乳动物是胶原蛋白的主要提取源，其中心包胶原膜拥有出色的抗撕裂性和较长的降解周期。然而，随着对安全性和伦理性的考量加深，海洋胶原蛋白，特别是水母胶原蛋白，因其无传染病风险及宗教禁忌，逐渐受到青睐，并在骨再生免疫反应和血管化方面展现出优异性能。

为进一步提升胶原膜在临床组织再生中的应用效果，研究逐渐着眼于膜的表面修饰，即交联处理及生物活性分子的加载。交联旨在增强膜的机械强度和调节降解速度，以优化其临床性能。尽管高交联度可能伴随较高的异物反应风险，但多种化学、物理及生物酶交联方法的成功应用，为制备理想性能的胶原膜提供了可能。同时，生物活性分子的引入，旨在构建促进骨诱导的微环境，其释放模式及浓度对组织再生效果具有重要影响。

综上所述，胶原膜作为生物医学材料，其未来研究前景广阔。随着生物材料科学的进步，胶原膜的改性技术将更加精细，如精准调控降解速率、增强机械性能及生物活性分子的高效负载，以实现更精准的骨再生调控。同时，对胶原膜生物学机制的深入研究，将有助于揭示其与宿主细胞的相互作用机制，为材料设计提供理论依据。胶原膜在促进骨再生、软组织修复等领域具有巨大潜力，其未来研究将推动生物医学材料的创新发展。

参考文献  略