聚乳酸材料在引导骨再生中应用研究进展

聚乳酸材料在引导骨再生中应用研究进展

引用本文：何旭鹏，欧国敏.聚乳酸材料在引导骨再生中应用研究进展[J].中国实用口腔科杂志，2025，18（2）：206-213. DOI：10.19538/j.kq.2025.02.013

作者姓名：何旭鹏，欧国敏

作者单位：口腔疾病防治全国重点实验室 国家口腔医学中心 国家口腔疾病临床医学研究中心 四川大学华西口腔医院种植科，四川 成都 610041

通信作者：欧国敏；电子信箱：1281231409@qq.com


摘要：引导骨再生是种植修复时牙槽骨缺损的主要处理方式，而聚乳酸材料是可用于引导骨再生的重要材料之一。聚乳酸作为人工合成的高分子生物降解材料，可加工成合适的结构，其机械性能、降解性、生物矿化能力、成骨性能及抗菌性能均可为引导骨再生提供支持。目前，聚乳酸材料引导骨再生的原理已得到较详细的研究，且证明了其临床应用潜力。聚乳酸材料的应用形式广泛，常见的包括聚乳酸膜、聚乳酸钉、聚乳酸复合骨支架及聚乳酸微球。文章就聚乳酸材料用于引导骨再生的研究进展做一综述，以期对系统了解、研究和选择该材料提供参考，并对其应用发展方向提出展望。

关键词：聚乳酸；骨再生；组织支架；生物工程

口腔种植修复治疗中，缺牙区牙槽骨常因牙周病、根尖周病、萎缩、外伤等原因存在缺损；引导骨再生术（guided bone regeneration，GBR）是目前常用的牙槽骨缺损修复方法，其在种植体植入同期水平和垂直骨增量中的有效性均得到了实践证据支持［1］。GBR中，屏障膜对种植体周围新生骨形成具有重要作用，其根据材料成分不同可分为可吸收膜和不可吸收膜2种类型。一项对多种生物材料屏障膜用于GBR的综述总结，各种不同材料的屏障膜各具优劣，但都在其中起到不可或缺的作用［2］。聚乳酸（polylactic acid，PLA）材料具有可吸收降解的特性，用于GBR中可避免二次手术取出材料的过程，简化临床治疗并减少患者痛苦，是一种新兴应用于GBR且具备良好前景的材料。PLA材料因其出色的生物力学性能和生物相容性，在血管移植、软骨修复、骨折固定等生物工程方面都有广泛的应用［3］。在口腔颌面部骨组织包括牙槽骨再生中，PLA材料主要作为屏障和支架，利用骨传导性能和对成纤维细胞的屏障作用，同时其可作为载体控制生物活性物质的缓释，从而达到促进成骨的结果［4-5］。但由于临床实践证据不足及PLA材料的固有缺陷，大多数医生仍会在GBR中首选胶原产品而不是PLA产品。GBR材料选择的多样化和根据具体情况选择特定材料产品是未来的趋势。本文对PLA材料用于GBR的研究进展做一综述，为临床选择及实验研究改进提供思路。

1    聚乳酸材料的结构和性能
PLA是人工合成的高分子生物降解材料，以乳酸为主要原料通过聚合反应得到。PLA根据旋光异构的不同主要可分为4类：左旋聚乳酸（poly-L-lactic acid，PLLA）、右旋聚乳酸（poly-D-lactic acid，PDLA）、外消旋聚乳酸（poly-D，L-lactic acid，PDLLA）及内消旋聚乳酸（poly-meso-lactide，meso-PLA）；在GBR中应用较多的是PLLA和PDLLA。PLLA为半透明半结晶态固体，其力学强度高，但脆性高、降解速度慢［6］；而PDLLA为透明非结晶态固体，相对易降解，在体外10 ~ 18个月可完全吸收［7］。PLA还能与其他多种单体材料形成共聚物，如与羟基乙酸共聚形成聚乳酸-羟基乙酸共聚物（poly lactic-co-glycolic acid，PLGA）、与己内酯共聚形成聚乳酸己内酯共聚物［poly（L-lactide-co-caprolactone），PLCL］，来获得不同高分子材料。

1. 1    用于GBR的PLA材料表征

1. 1. 1    PLLA的加工和表征    纺丝技术是PLLA常用的加工工艺。Li等［8］和Yao等［9］在室温下通过静电纺丝制备了PLLA纤维，平均纳米纤维直径400 nm，与水的平均接触角为110°，其亲水性表现一般，但通过多巴胺表面处理后获得了较好的亲水性，利于细胞黏附和增殖。还有研究将PLLA颗粒通过高温熔融后纺丝得到纤维，具有相似的理化性能表征，并与多巴胺接枝共聚后对比，得到了相似的效果［10］。PLLA本身是疏水性的，需要亲水性物质处理后才适用于组织工程。此外，孔径大小对机械性能和细胞黏附增殖都存在影响。Wang等［11］发现，同时具有大孔（50 ~ 350 μm）和微孔（0.1 ~ 10.0 μm）的PLLA纤维支架能兼顾二者。

1. 1. 2    PDLLA的加工和表征    PDLLA纤维同样可通过静电纺丝工艺制备。Ho等［12］制备的PDLLA纳米纤维平均纤维直径为601 nm，在14 d的自催化水解下与水的平均接触角由100°以上下降到90°以下，亲水性得到了改善。通过3D打印技术可制备孔径约400 μm、线径约500 μm、孔隙率约50%的PDLLA支架，为细胞黏附生长提供空间［13］。Bejarano等［14］用冻干和盐浸法制备的PDLLA支架有更高的孔隙率（93%），孔径范围为100 ~ 400 μm，且掺入生物活性玻璃不改变其孔径和孔隙率。溶液浇铸制备的PDLLA薄膜似乎具有更好的亲水性，其与水接触角约69°，用丝素蛋白（silk fibroin，SF）表面改性后接触角进一步减小［15］。由此可见，单纯PDLLA相较于PLLA更适合直接用于组织工程，其经过处理后可能具备更好的生物相容性。

1. 1. 3    PLA共聚材料的加工和表征    PLGA是常见的基于PLA的共聚物，静电纺丝制备的PLGA纤维直径平均1600 nm，与水平均接触角86.9°，具有一定的亲水性［16］。PLCL也可通过同轴静电纺丝制备成均匀、光滑多孔的纳米纤维膜结构，可形成核壳结构控释具有成骨诱导性的淫羊藿苷（icariin，ICA）分子；ICA的加入也起到了改善PLCL亲水性的作用［17］。Guo等［18］在PLA与PLGA共混静电纺丝后发现结晶度降低，有利于改善PLA的硬度和脆性。共聚能够在亲水性、物理性能等多方面改善PLA的表征，这也是目前大部分PLA材料研究和发展方向都选择共聚复合材料的原因。

1. 2    用于GBR的PLA材料性能

1. 2. 1    机械性能    用于GBR的膜或支架材料需要具备与天然骨膜相似的柔韧性和延展性，浸湿的Bio-Gide胶原膜平均拉伸强度仅1.68 MPa，最大载荷仅3.70 N［19］，与理想人工骨膜的强度有较大差距。PLA膜的拉伸强度与孔径显著相关，大孔型（平均孔径479 μm）的拉伸强度约4 MPa，小孔型（平均孔径273 μm）则可达10 MPa以上［20］；而常用于垂直骨再生、具有较强空间稳定能力的聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）不可吸收膜的极限拉伸强度为（6.0 ± 0.7）MPa，表明PLA膜的机械性能强于常见的可吸收膜（如胶原膜），并可达到部分不可吸收膜的机械强度［21］。实验测得单纯PLLA纤维的拉伸强度为0.49 MPa、断裂伸长率为24.71%，单纯PDLLA的拉伸强度为6.13 MPa、断裂伸长率为76.52%；这表明，后者具有更佳的韧性和变形能力［22-23］。针对PLA机械性能的不足，与其他单体共聚、混合其他聚合物或使用金属材料增强都可达到改善的效果［24-26］。

1. 2. 2    降解性    PLA是生物可降解材料，最终降解为水和二氧化碳。PLLA的降解周期明显长于PDLLA，6周时观察到在同样的磷酸缓冲液中PDLLA明显吸收而PLLA基本完整［27］；说明，PLLA更能长期维持成骨空间。但也有研究显示，PLLA在体内完全吸收需要5年以上，远长于新骨形成的时间，可能引起组织反应［28］。PDLLA的降解时间一般为4 ~ 12个月，维持时间短于PLLA，但与GBR新骨形成的周期更加契合［29-30］。与之相比，胶原膜在体内3个月大部分降解、4个月完全降解，而GBR术后6个月术区仍观察到28.8%的骨移植材料未完成改建，故过快的降解速度无法保障成骨后期植骨区域的稳定性［31-32］。因此，在需要更长时间的稳定成骨空间时，PLA为更加合适的选择。研究者通过共聚、共混或掺入其他生物活性材料，都实现了对PLA降解时间的优化和降解可控性的提升［14，33-34］。此外，有研究发现PLA植入物在降解过程中可能会降低局部环境的pH值，16周的体外降解溶液pH值由7.40降至7.05以下［35］。由于酸性环境对骨组织再生存在抑制作用，故需要通过可控的降解速率或碱性成分中和，来避免PLA降解过程中酸性环境的产生。

1. 2. 3    生物矿化能力    生物矿化是生物体内通过生物大分子调控生成无机矿物的过程，骨骼中最主要的无机矿物是羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）；PLA具有骨传导性，在生物矿化中可起到支架的作用。许典［36］将3D打印的PLA支架浸泡于模拟体液（simulated body fluid，SBF）中，发现表面产生少量矿物沉积，而支架乙二胺改性后可观察到表面更多量的生物矿化。另有研究证明，向PLA支架中掺入生物活性材料，无论是含有有机成分（如珍珠粉）还是无机成分（如含铜锌离子的生物玻璃）的材料，都能够在一定程度上增强PLA在SBF中的生物矿化效果［14，37］。Tang等［38］在PLA纤维膜中掺入HA形成人工骨支架，其生物矿化能力也显著强于单纯PLA支架，且矿化程度与HA掺入量呈正相关，说明PLA支架中矿化物对生物矿化有促进作用。

1. 2. 4    成骨性能    传统观念认为，骨诱导性的生物活性分子是骨诱导过程的必备条件，但单纯PLA支架在体外研究中依然可观察到成骨分化促进作用。成骨细胞前体细胞在PLA膜表面有少量活化，在聚多巴胺（polydopamine，PDA）改性的PLA膜上则有更多的活化［9］。PLA可作为支架，通过向其中加入生物活性物质来构成具有骨诱导性的复合材料。Vasilyev等［39］向PLA颗粒中加入了10 μg/mL的重组人骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）-2后，材料对大鼠颅骨缺损的重建能力明显增强，且骨重建范围与缺损范围较为一致。在含有成骨诱导因子的成骨诱导培养基中，3D静电纺丝的聚己内酯（polycaprolactone，PCL）/PLA共混纳米纤维支架也明显促进了人间充质干细胞的体外成骨分化，细胞中碱性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）活性显著提高［40］，而体内GBR的术区能够提供相似的含有成骨诱导因子或成骨相关细胞的环境。

1. 2. 5    抗菌性能    PLA可被多种微生物分解，且亲水性较差，因此本身不具备抗菌性；纯PLA膜对大肠杆菌的抗菌率仅为1.28%［41］。PDA具有一定的抗菌性能。Yao等［9］制备的PDA改性PLA膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌活力的抑制程度明显强于纯PLA膜，膜表面死亡菌数量增加。程雯［13］将抗菌纳米银喷涂于PLA支架表面，同样增强了对大肠杆菌的抑制作用，说明采用有机或无机抗菌成分对PLA进行表面改性均可赋予其较好的抗菌性能。

2    聚乳酸材料引导骨再生的原理
成骨细胞形成新骨组织的速度慢于成纤维细胞和上皮细胞形成软组织的速度，因此需要屏障膜、支架或类似结构来阻止其他细胞长入，以使成骨细胞在骨缺损区的稳定空间中再生骨组织，这是GBR的基本原理。一项针对PLA材料应用于GBR效果的系统评价表明，PLA的效果与传统材料相当甚至更优［42］，这说明PLA在性能、结构和生物功能方面能够满足GBR的需要。

2. 1    PLA支架材料的宏观作用    PLA在GBR中主要作为支架，与覆盖的骨或骨替代物颗粒可支撑起一个稳定的成骨空间。Wang等［43］提出GBR成功关键的“PASS”原则中，后2个“S”所代表的space maintenance（空间维持）和stability（创口稳定性）即为放置屏障膜的目的。新骨形成的空间可由自身牙槽骨壁或屏障膜、骨替代物等植入材料所维持，而PLA作为人工合成高分子植入材料，其性能在一定程度上可满足维持植骨空间和稳定的要求。用于GBR的PLA屏障膜通常为双层甚至多层结构，其光滑致密的一面朝向软组织，且孔径小于成纤维细胞，故将成纤维细胞在PLA屏障膜表面培养可仅黏附在材料表面均匀生长而不能穿透屏障膜［4，44］。PLA膜还可使成纤维细胞的黏附变得松散，抑制细胞扩散，阻止其进入成骨空间［45］。在稳定成骨空间方面，PLA膜拥有优秀的力学性能，其相对于胶原膜具有更大的拉伸强度和最大载荷，在受到外力时不易变形或被破坏，可保证内部的骨充填物和血凝块不发生变形和移位［19-20］。同时，PLA由于具有较好的强度和可塑性，可被加工成可吸收膜钉；PLA可吸收膜钉通过超声焊接固定屏障膜，以获得更好的植骨空间稳定性，保证新骨形成［46］。

2. 2    PLA材料对成骨相关细胞的作用    PLA作为一种生物活性材料，能够对多种成骨相关细胞产生影响，从而调控GBR过程。单纯的PLA支架对成骨细胞的黏附和增殖促进作用较小，故支架上黏附的成骨细胞数量少、密度低，且活细胞率为60%左右［47］。在促进细胞分化方面，PLA支架上前成骨细胞的成骨分化程度高于阴性对照培养基，且ALP活性增加，说明材料促进了分化的早期阶段［48］。在PLA纤维支架中混入生物活性更强的微晶生物玻璃或HA形成的复合材料，可使支架上更多的成骨细胞黏附及存活，支架内成骨细胞的分化程度也高于单纯PLA材料；对于分化潜力高、可多向分化的间充质干细胞，PLA复合材料支架也能更好地诱导其成骨方向分化［49-50］。此外，在掺入纳米HA的PLA纤维支架中也观察到破骨细胞的活力增加，说明支架环境骨改建过程的活跃进行［51］。PLA支架中还可加入具有骨诱导性的药物分子（如ICA、BMP），且支架内的药物分子在体内外的缓释过程能够更大程度地促进干细胞成骨分化、成骨细胞增殖和新骨形成［17，52］。

2. 3    PLA材料对成骨相关通路、分子的作用    PLA可通过影响成骨细胞，以及各种具有成骨分化潜力的干细胞和破骨细胞等成骨相关细胞来促进GBR过程，其原理在于PLA可对成骨相关通路、分子发生作用。研究者将人骨髓间充质干细胞（human bone mesenchymal stem cells，hBMSCs）接种于PLA纳米纤维支架上培养3周后发现，在纤维随机排列结构支架上的细胞高度分化，且成骨标志基因BMP-2、RUNX2、SPP1、COL1A1、SPARC、BS的表达随时间变化而上调，涉及成骨相关的Wnt、MAPK、TGF-β/BMP、focal adhesion通路在含有成骨补充剂（osteogenic supplement）成分支架中的变化更为显著［53］。ALP是早期的成骨标志物，反映成骨细胞的分化水平和活性。研究显示，PLA中的MG-63细胞培养7 d后ALP活性即可增加，且辛伐他汀改性的PLA中增加水平更高［4］。相似的研究也观察到PLA对骨钙素、Ⅰ型胶原蛋白及RUNX2等成骨相关标志物表达的促进作用［54］。与破骨细胞分化相关的RANK激活也在PLA与单核细胞的培养中发现，说明PLA对骨代谢的吸收过程也存在调控［51］。由此可见，PLA本身即对成骨相关通路、分子存在一定影响，而更显著的影响则需要借助其他生物活性材料或药物的改性。

3    聚乳酸材料在引导骨再生中的应用和新进展
PLA由于原材料来源广泛、生产成本相对较低、可降解吸收等优点，在GBR的动物实验和临床实践中均有广泛应用。PLA屏障膜是传统的应用形式，而PLA钉和PLA人工骨支架的应用正不断试验和普及；PLA微球是新的应用形式，主要处于实验研究阶段。

3. 1    PLA屏障膜    目前大多数研究仍认为，屏障膜是GBR成功不可或缺的条件之一［43］。PLA屏障膜作为人工合成高分子聚合物可吸收膜中较常用的种类，应用已较为成熟。Arunjaroensuk等［55］将PLA可吸收膜用于美学区种植同期GBR中，术后6个月的平均唇侧牙槽骨吸收厚度百分比为19.81% ~ 34.30%，与胶原膜维持成骨空间能力无显著差异。马康傑［56］比较PLA可吸收膜与胶原膜在上前牙区GBR的临床试验也观察到了相似的效果。在水平骨再生增量方面，也有研究显示PLA膜相比于胶原膜能增加更多的骨宽度，且可能达到骨再生量多于骨移植材料量的效果［57］。在用于垂直骨增量时，一项荟萃分析显示PLA屏障膜的效果排名高于交联胶原膜，次于钛增强致密PTFE膜［58］，这可能与垂直骨增量需要强度更高的膜维持空间稳定有关，而PLA膜的强度正是强于胶原膜而弱于钛增强PTFE膜；说明PLA屏障膜与常用的胶原膜相比，在少量水平骨增量时可作为对等的选择。但在需要更强的支撑性和空间稳定性的临床应用场景（如垂直骨增量或大量的水平骨增量）时，PLA膜可能是可吸收膜中更佳的选择。PLA屏障膜通常为双层结构，使用方法与胶原膜基本一致；其需要区分朝向软组织面和骨组织面，覆盖术区后可通过垂直褥式缝合或水平褥式缝合辅助固定屏障膜，需要进一步稳定成骨空间时可加用膜钉固定。

3. 2    PLA钉    PLA可吸收钉在骨科有较多的临床应用，包括骨折固定、关节修复等手术，其效果已得到医生的广泛认可。近年来PLA可吸收钉逐渐被引入口腔种植的GBR中，主要用于可吸收屏障膜的固定。一项多中心的随机对照临床试验比较了2种固定系统在GBR中的临床效果，试验组为PLGA可吸收钉固定可吸收膜，对照组为钛钉固定钛增强的膨体PTFE不可吸收膜；其发现，在维持垂直向植骨空间方面2组无显著差异，而在维持水平向植骨空间方面对照组要优于试验组［59］。还有研究将PDLLA可吸收销钉固定可吸收膜用于侧壁开窗上颌窦提升中，组织学与影像学结果均显示其可保证种植体植入时足量新骨的形成，且完成修复后1年未发生种植失败［60］。Göçmen等［46］则将PLA可吸收钉单独用于上颌窦提升来支撑被抬起的上颌窦底黏骨膜，获得了较透明质酸膜更多的可用牙槽骨高度。骨折固定所用的可吸收螺钉与金属螺钉固定原理相同，即螺纹锁紧作用。而用于GBR的PLA可吸收销钉常用的固定原理则是超声骨焊接技术，以德国马丁公司开发的SonicWeld Rx®系统为代表；超声发生器使销钉跟随超声焊极振动，振动产生的热使销钉快速液化，并迅速渗入多孔的骨腔中，从而实现固定。

3. 3    PLA复合骨支架    PLA材料虽然在实验中观察到具有一定的骨传导性和成骨诱导作用，但单独应用于GBR形成新骨的骨质和骨量无充分证据保证，一般至少需要与骨替代材料联合使用才能获得理想的效果。Yagihara等［61］将PLLA网预成型为骨缺损形状，其中密集填充自体颗粒状松质骨和骨髓用于下颌骨重建，1年以上的随访期内83.9%的患者观察到较好的骨再生，且后续植入种植体的患者均未发生种植失败。一项病例报告中使用预成型的HA/PLLA支架重建肿瘤切除术后的下颌骨缺损，也得到了相似的结果［62］。GBR的实验研究中，生物玻璃、骨修复药物等被掺入PLA支架，一方面可改善支架材料的机械性能，另一方面由于支架的多孔结构和生物降解过程缓慢释放其中的生物活性物质和药物而显著增强了成骨活性［63-64］。此外，PLA复合骨支架可通过3D打印等技术在术前加工成预期所需的成骨形态，极大简化了GBR的修复缺损过程。

3. 4    PLA微球    PLA除可在宏观上被加工为屏障膜、支架等作为细胞黏附、生长的空间和容纳生物活性材料外，近年来研究者逐渐将其应用于微观的骨组织工程中，制成微米甚至纳米尺寸的微球。García-García等［65］以复合乳化技术制备了平均尺寸112.1 μm的PLGA封装BMP-2微球，其蛋白分子以55 ~ 60 ng/d的速率缓释，缓释过程明显促进了大鼠间充质干细胞（rat mesenchymal stem cell，rMSC）的分化，且能够在骨临界缺损模型中形成更大的新生骨面积。除负载成骨相关蛋白外，PLA微球还能作为相关基因的载体。Jin等［66］将腺苷通过多巴胺涂层负载于PLGA微球表面后发现，释放的腺苷可激活A2BR信号通路，促进BMSCs黏附和成骨分化，且将其注射于裸鼠皮下可引起异位成骨。但由于PLA微球只能作为分子药物或基因的载体，无法为成骨细胞提供稳定的空间形态，故通常需要与水凝胶或聚合物支架联合使用来共同促进骨再生。目前PLA微球用于GBR的研究仍处于动物实验阶段，尽管其临床应用还未有系统性的报道，但发展前景十分可观。

4    结语
PLA因其本身良好的机械性能和生物性能，以及成本低、来源广、可降解等优势，在GBR中有广泛的研究和多种形式的应用。但PLA材料仍存在一些固有缺陷需要改良，且新兴的应用形式多数仍处于实验阶段而未在临床中得到广泛的应用实践。单纯PLA材料，无论是PLLA还是PDLLA，其性能与GBR理想材料之间均存在差距，如亲水性欠佳、降解时间偏长；改善这些性能则需要对PLA进行改性，如通过共聚、共混、表面离子涂层等方法将PLA制成复合材料来改善其性能，以获得更好的组织再生效果［67］，但多数PLA复合材料仍缺乏临床实践的验证。在应用方面，相比于天然胶原膜，PLA膜更强的支撑稳定性使其在更多的骨缺损临床场景或骨增量术式中成为选择，且作为人工合成的高分子材料，其性能根据加工方式不同具有可调控性，还可作为支架将多种生物活性物质引入GBR中；PLA膜、钉相对于PTFE膜、钛钉无需二次取出，使一些有较高空间稳定要求的GBR（如严重水平缺损的牙槽骨增量）通过可吸收材料完成。然而，通过超声焊接的PLA膜、钉系统在临床上的应用仍较为缺乏，未来需要更多的数据来探究PLA膜、钉系统是否对传统的钛钉固定具有可替代性。总之，PLA材料在GBR的骨组织工程中具有良好的发展前景，未来的应用方式和应用场景也会愈加广泛。

参考文献  略