仿牙周组织结构的多相支架构建及其诱导牙周再生的机制研究

Periodontitis is the most common cause of teeth loss among adults and it is difficult to rebuild periodontal attachment through traditional treatment. Due to the complex structure of the periodontium, consisting of both soft (periodontal ligament) and hard (bone, cementum) tissues，fabrication of complex 3-dimensional multiphasic scaffold would be a focus of periodontal tissue engineering. The applicant has developed electrospun cellulose/CNCs nanocomposite nanofibers (ECCNN), which has remarkable physical properties along its long axis. Besides, the aligned nanofibers of ECCNN exhibite a strong effect on directing cellular organization. Moreover, dental follicle stem cells (DFSCs) could be differentiated into osteoblasts or cementoblast by ECCNN with BMP-2 or nano hydroxyapatite(nHA). Though the mechanism is unclear, this laid the foundation for construction of periodontal mimic scaffolds. In this project, a periodontal mimic scaffold will be constructed and its functional mechanism will be investigated. Firstly, prepare bone and cement scaffold based on ECCNN, adding BMP-2 and nHA separately, and study their effects and mechanism on DFSCs differentiation for osteoblasts, fibroblasts and cementoblasts in vitro. Secondly, construct sandwich-like periodontal scaffold by electrospun on both sides of ECCNN (with BMP-2 or nHA separately). Then, implant this scaffold into periodontal defect animal in vivo, explore its mechanism of action. This study would shed some light on periodontal scaffold construction.

牙周组织丧失是成年人失牙的主要原因，因其涉及牙槽骨、牙周膜和牙骨质软硬三种组织的有序排列，构建多相支架是组织工程诱导牙周再生的研究重点。申请人前期研获的高取向电纺纳米晶增强的全纤维素纳米纤维（ECCNN），轴向力学性能优良且能体外诱导牙囊干细胞（DFSCs）定向排列，加有BMP-2或纳米羟基磷灰石（nHA）的ECCNN具有诱导DFSCs成骨或成牙骨质分化的潜能，虽机制不明，但为制备牙周支架奠定了基础。本课题旨在构建仿牙周组织结构的多相支架并研究其作用机制。首先以ECCNN为基材，结合BMP-2或nHA分层制备骨、牙周膜和牙骨质支架，并体外研究各支架层对DFSCs朝不同牙周组织诱导分化的能力。然后通过在ECCNN上下切截面纺丝（分别含BMP-2或nHA）的方法制备“三明治”样牙周支架，并植入牙周缺损的动物体内，探索该支架诱导牙周再生的机制和效果。本研究有望为制备牙周支架提供新思路和新方法。

牙周炎导致的牙周组织丧失是成人失牙的首要原因，牙周再生不仅涉及牙槽骨、牙周膜和牙骨质三种软硬组织的有序排列，并需克服开放口腔环境中的细菌感染。当前牙周引导组织/骨再生（GTR/GBR）仅涉及牙周骨再生，牙槽骨和牙齿间仅为长上皮结合，并未形成有功能的牙周膜。而牙周膜在分散咬合应力，防止根折和牙槽骨吸收方面作用重大。因此，构建抗菌并能促进牙周软硬组织有序再生的多相支架是组织工程修复牙周缺损的研究重点，其中牙周膜纤维支架因涉及纳米-微米结构的有序纤维，且需承担巨大的咬合应力一直是牙周支架构建的难点。申请人前期通过静电纺丝技术制得纤维素纳米晶（CNCs）增强的全纤维素纳米纤维（ECCNNs），并通过调整搜集器的转速控制纤维的取向度。该技术不仅可得到和细胞外基质（ECM）结构类似的纳米纤维，还能大大增强纤维取向轴度上的抗拉伸强度，克服静电纺丝纤维通常力学强度不足的问题。本项目在此基础上，合成了模拟牙周板层骨的荷载rhBMP-2的ECCNNs，模拟牙周膜有序纤维的取向ECCNNs，以及仿牙骨质基质成分的纳米羟基磷灰石（nHA）和ECCNNs混纺的ECHNNs。通过SEM、FIRT、Raman、能谱等材料学表征手段对三种电纺纳米纤维的形态、孔隙率，CNCs、nHA以及荷载的rhBMP-2的含量进行测定，在体外细胞学实验中通过与牙囊干细胞（DFSCs）共培养，筛选出最适合DFSCs向牙骨质、牙周膜纤维、牙槽骨方向分化的支架参数。然后植入新西兰大白兔和大鼠体内，证实了三种支架能通过模拟相似组织的ECM结构在体内分别诱导板层骨、类牙骨质的生成，以及Ｉ型胶原的有序排列。针对三层支架结合的问题，开发出生物蛋白来源，可完全降解的柔性、防水生物胶水，将三层纤维支架在体内环境中进行粘合。同时，针对牙周抗菌环境，研制了近红外光808nm波长照射下可光热+光动力联合抗菌的钠米材料，可通过pH响应靶向细菌抗菌，通过抗感染和促再生双管齐下修复促牙周再生。为临床修复牙周缺损，以及感染性软硬组织缺损提供新思路。