作者：李光民，山西医科大学口腔医学院；
近年来，随着口腔种植技术的日益成熟，口腔种植成功率不断增加，但牙齿过早缺失造成的牙槽骨缺失仍是种植牙技术应用的主要障碍。引导骨再生（guided bone regeneration technique,GBR）是利用屏障膜特性，使成骨细胞具有足够的增殖时间，从而达到骨增量的一种方法。临床实践证明，生物屏障膜的应用与GBR疗效直接相关。
理想的生物屏障膜应具备5个基本特征，即生物相容性、空间维持能力、选择渗透性、宿主组织整合能力及临床可操作性。传统的口腔生物屏障膜可分为可吸收膜和不可吸收膜，其无法同时满足机械强度高和降解可控性等临床需求。镁基材料由于重量轻、机械性能优异、生物相容性及生物降解性较佳，可作为一种新型生物屏障膜应用于口腔医学领域，但其尚处于研究探索阶段。本文就镁基材料应用于口腔生物屏障膜中的性能优势及不足做一阐述，为其临床转化提供科学依据。
1. 镁基材料用于口腔生物屏障膜中的性能优势
1.1生物相容性和可降解性
镁基材料具有良好的生物相容性和可降解性。生理介质中的氯离子浓度较高，镁基材料可在该环境降解，并释放出镁离子、合金元素及氢气等物质。相关研究表明，镁基材料的降解产物对机体健康无明显不良影响。人体中约60%镁储存于骨骼中，25%～30%储存于肌肉中，其参与人体内300多种酶促反应。由于细胞能够处理高于生理浓度16倍的镁离子，故应用镁基材料造成的局部镁离子浓度增加几乎不会对细胞造成影响。
此外，体内剩余的镁离子可通过骨骼调节及肾脏排泄，慢性肾功能衰竭时也能够经肠道从粪便中排出。Torroni等在绵羊颅骨中植入镁基材料后发现，其降解不会增加淋巴结中的镁含量。Si等在慢性肾功能衰竭大鼠体内植入镁基材料后发现，与正常大鼠相比，其血清、尿液、粪便和内脏器官中的镁含量均无明显变化。
Amukarimi等研究发现，植入镁基材料不会导致兔的心、肝、肾和脾功能障碍。氢气，作为镁基材料在机体的另一降解产物，其造成的气腔可自行溶解，对组织愈合及骨组织再生等无负面影响。应用镁基材料产生的气腔主要位于覆盖的软组织和镁膜上表面之间，大部分气腔8周可被组织吸收，16周基本消失。以上研究均表明，镁基材料的生物相容性和可降解性较佳。与钛膜相比，镁膜可避免第二阶段手术移除植入材料及相关并发症的发生；与胶原膜相比，镁膜不会受到唾液影响，稳定性较强。
1.2 机械性能
镁基材料机械性能优良，具有足够的硬度，可支撑软组织，维持骨再生空间，并承受咀嚼压力。镁基材料密度为1.74～1.85 g/cm3，与皮质骨（1.75 g/cm3）相当；其弹性模量为45 GPa，相较于钛（100～125 GPa）更接近皮质骨（10～23 GPa）；其最大拉应力为（183.0±10.7）MPa，远高于聚合物膜[（4.8～22.5）MPa]；其抗渗透性较强，渗透试验中的渗透阻力约为胶原膜的2倍，且降解7 d后的抗渗透性仍强于胶原膜。然而，镁基材料降解速率较快，一般在1～8周内降解，这使其空间维持时间较短，软硬组织修复时间不充足。
理想情况下，生物屏障膜的屏障作用至少需维持3～4周，若用于牙周组织再生则需4～6周，若用于骨增强甚至需要16～24周。有研究发现，镁基材料的降解敏感性与锌含量呈正相关，且增加稀土元素可有效减轻应力疲劳。AZ（镁-铝-锌系）合金主要包括AZ31（铝和锌的质量分数分别为3%和1%）、AZ61（铝和锌的质量分数分别为6%和1%）和AZ91（铝和锌的质量分数分别为9%和1%），其表面的氧化铝和
WE（镁-稀土-锆系）合金主要是指WE43合金（钇、钕和锆的质量分数分别为3.5%、2.3%和0.5%），其表面涂覆的稀土氧化层可提高耐腐蚀性和生物相容性。还有研究发现，ZX（镁-锌-钙系）合金在骨再生相关临床前研究中效果良好。在合金中加入钙可形成热稳定的金属相，且钙质量分数较低镁合金（1%、2%和3%）的机械性能和耐降解性均优于钙质量分数较高的镁合金（5%～20%），其中钙质量分数为1%的镁合金上述性能较佳。
此外，镁膜表面改性（如聚合物涂层、热碱处理、阳极氧化、阴极等离子电解、等离子注入、氟化物处理及等离子电解氧化等）也可降低其降解速率；经过微弧氧化涂层后，其降解速率降低约90%，同时对其拉伸、弯曲、剪切和冲击强度产生了积极的强化作用。合金材料及涂层等的出现有效降低了镁基材料在口内的降解速率，利于软硬组织充分修复。
1.3 生物活性
镁基材料成骨性能优异，可被应用于GBR中。镁离子可促进骨髓基质细胞（bone marrow stromal cells,BMSCs）和骨细胞的增殖、迁移，增强碱性磷酸酶活性，提高人成骨细胞的分化能力。有研究发现，镁离子在骨再生中的作用与典型的WNT信号通路相关，其可上调β-连环蛋白及其下游基因LEF1和DKK1的表达，使BM-SCs向成骨细胞分化。
镁离子还可通过选择性激活MAPK/ERK通路或上调愈合骨中的细胞外基质成分COL10A1和血管内皮生长因子的表达来诱导干细胞成骨分化；在MAPK/ERK通路中，镁离子转运蛋白1（magnesium ion transporter 1,Mag T1）通过调节镁离子的内流来促进神经细胞
Jiang等体外研究表明，具有镁基涂层的生物屏障膜可促进成骨标志物[碱性磷酸酶、骨钙素、骨桥蛋白、骨涎蛋白及核心结合因子α（又称Run X2）]表达。将镁膜置于口内骨缺损骨膜下6个月后，牙槽骨顶部水平骨新生分别从0.93、1.23、1.38 mm增加至1.00、2.00、3.00 mm。以上研究表明，镁基材料在牙槽骨再生治疗中的应用存在一定潜力。
口腔是一个相对有菌的环境，包括普氏菌属、卟啉单胞菌属、
Saha等研究发现，细菌生物膜的形成影响GBR效果，且在口内骨缺损部位应用载镁膜24 h后，细菌生物膜的形成率明显低于无镁膜。镁离子对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、表皮葡萄球菌、铜绿假单胞菌、荧光假单胞菌及芽孢杆菌等均具有一定的抗菌性，且高浓度的镁离子可降低细菌的黏附能力，可有效减少细菌生物膜的形成。
有研究采用四甲基偶氮唑盐比色法比较了添加或不添加镁纳米颗粒的生物屏障膜与细菌共培养24 h的抗菌效果，发现含镁纳米颗粒膜可杀灭95.04%的金黄色葡萄球菌和88.76%的大肠杆菌，而不含镁纳米颗粒膜未显示出明显的抗菌效果；这可能是由于镁纳米颗粒产生的游离镁离子诱导细菌产生过量的活性氧物种（reactive oxygen species,ROS），并发生过度的氧化应激反应，进而造成细胞膜扭曲，蛋白质、碳水化合物及脂类泄漏，导致细菌损伤。
Yu等动物研究发现，镁基材料对牙龈卟啉单胞菌、变形链球菌和核梭杆菌同样具有抗菌性，这可能是由于镁基材料降解造成的弱碱性环境抑制了细菌的增殖。此外，镁涂层（如氧化镁和氟化镁涂层）对肠球菌、微球菌也具有明显的抗菌效果。
2. 镁基材料应用于口腔生物屏障膜中的不足
2.1 降解性能
镁降解速率较快，这导致其维持空间的时间不足，进而造成新骨未完全形成。为减缓镁的降解速率，多项研究对镁表面进行改性，较常见的方法包括溶胶-凝胶、微弧氧化等。然而，对降解过程中镁离子释放量及释放速率的调控尚未达到理想状态，需要更多探索研究。
2.2 机械性能
目前主要通过检测抗拉伸强度和杨氏弹性模量对生物可降解金属的力学性能进行评估；然而，由于牙槽骨缺损部位的形态存在个体差异，临床医生常需弯折生物屏障膜以适应不同的牙槽骨形态，因而对于机械性能的评估应同时关注弯曲强度和压缩弹性模量。适宜的镁含量可增强生物屏障膜的压缩弹性模量；表面涂层处理及复合材料之间的相互作用也可在一定时间内保持其弹性模量，同时减少弯曲强度损失。但目前关于镁膜的最佳厚度及最佳镁含量的相关研究较少，还需进一步深入研究。
2.3 生物屏障膜的孔隙设计
生物屏障膜表面的孔隙可影响骨形成过程，其可使细胞黏附和迁移，同时防止生物屏障膜出现微小移动，维持生物屏障膜的稳定；此外，其对细胞阻塞具有重要作用，可在满足氧气、体液等营养物质交换的同时，阻碍牙周软组织进入骨缺损部位。生物屏障膜的孔隙过大会降低其屏障作用，而过小会妨碍组织愈合。
目前关于孔隙的最佳大小尚存在争议。临床上钛膜多采用大孔隙设计，以增加创面稳定性及临床操作性。有研究观察到，随着钛膜孔隙直径的增加（从3 mm增加至5 mm），其机械强度不断下降。还有研究认为，大孔隙（1.2 mm）相较于微孔隙（0.6 mm）更有利于骨骼再生。目前针对镁膜最佳孔隙的研究较少，应对比探究镁膜采用宏观孔隙或微型孔隙的效果，以促进其在GBR中的进一步应用。
3. 结语
镁基材料具有生物相容性好、降解产物无害、机械性能优异及生物活性较佳等优势，是口腔生物屏障膜的潜在材料；然而，其在实际临床应用中仍存在一定的不足，应对其性能进行深入研究，也可将其与3D打印技术、纳米制备技术及电纺屏障技术等结合应用于口腔医学领域中。
来源：李光民,张新华.镁基材料在口腔生物屏障膜中的应用研究进展[J].中国实用口腔科杂志,2024,17（05）:619-623.DOI:10.19538/j.kq.2024.05.020.
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