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牙周炎是一種普遍的慢性炎癥性疾病，由病原細(xì)菌引起，導(dǎo)致牙槽骨吸收和牙齒松動(dòng)，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。其次，傳統(tǒng)的牙周炎治療方法，如牙周刮治和再生性牙周手術(shù)，存在效率不高和可能對患者造成較大創(chuàng)傷的問題。此外，由于口腔環(huán)境的高濕度和動(dòng)態(tài)特性，抗生素等藥物在牙周病變處的留存困難，進(jìn)一步降低了治療效果?，F(xiàn)有的濕組織粘合劑和注射型粘合水凝膠在操作復(fù)雜性和可能引起組織炎癥方面存在局限。許多粘合貼片在濕動(dòng)態(tài)環(huán)境中粘附性下降，生物相容性和降解性差，限制了它們在口腔中的應(yīng)用。最后，大多數(shù)治療材料缺乏內(nèi)在治療能力，依賴外源性藥物可能導(dǎo)致治療成本增加和潛在的藥物毒性。因此，開發(fā)一種高效、非侵入性、具有良好生物相容性和內(nèi)在治療能力的牙周炎治療策略，可能是促進(jìn)牙周組織的再生和修復(fù)的關(guān)鍵方向。

針對上述問題天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院劉文廣教授設(shè)計(jì)了一種基于α-硫辛酸（LA）和改性明膠（GelMA）的聚合物彈性貼片，利用其在濕潤環(huán)境中的粘附和軟化特性，以實(shí)現(xiàn)更好的治療效果。該貼片能夠在接觸水后迅速軟化并增強(qiáng)粘附力，從而提高在口腔內(nèi)的滯留時(shí)間和藥物釋放效果。該文章于2024年02月01日以《Wet environment-induced adhesion and softening of coenzyme-based polymer elastic patch for treating periodontitis》為題發(fā)表于《Bioactive Materials》（DOI：10.1016/j.bioactmat.2024.02.002）。

圖1 a) PolyLA-GelMA貼片的制備工藝及結(jié)構(gòu)特征示意圖。b) PolyLA-GelMA貼片的濕響應(yīng)粘附行為。c) PolyLA-GelMA貼片促進(jìn)牙周炎愈合的機(jī)制說明

（1）PolyLA-GelMA貼片的制備與表征

圖1a展示了PolyLA-GelMA貼片的制備過程和結(jié)構(gòu)特征的示意圖，說明了通過混合LA、GelMA和Tris（羥甲基）氨基甲烷的混合溶液，然后通過蒸發(fā)溶劑來制備貼片。圖1b展示了PolyLA-GelMA貼片的濕響應(yīng)粘附行為，表明貼片在干燥狀態(tài)下不粘附，但在濕潤環(huán)境下迅速變得柔軟并粘附。圖1c說明了PolyLA-GelMA貼片促進(jìn)牙周炎愈合的機(jī)制，顯示了貼片在牙周炎治療中的作用，包括抑制牙槽骨吸收和調(diào)節(jié)炎癥微環(huán)境。這些圖示共同體現(xiàn)了PolyLA-GelMA貼片的設(shè)計(jì)原理、濕響應(yīng)特性以及在牙周炎治療中的潛在應(yīng)用。

圖2a展示了LA-GelMA溶液和PolyLA-GelMA貼片的紫外-可見吸收光譜。LA單體在330 nm的吸收峰在形成PolyLA-GelMA貼片后消失，表明LA發(fā)生了自發(fā)開環(huán)聚合。圖2b的拉曼光譜顯示PolyLA-GelMA中二硫鍵特征峰在510 cm?1處分裂，證實(shí)PolyLA的穩(wěn)定性。圖2c的ATR-IR光譜顯示羧酸根的C=O峰紅移，表明LA中的-COOH與GelMA中的-NH2形成強(qiáng)氫鍵。圖2d的XRD顯示PolyLA從有序納米晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷ЫY(jié)構(gòu)，隨GelMA含量增加逐漸消失。圖2e顯示PolyLA-GelMA貼片層間距增加，結(jié)晶度降低。圖2f表明PolyLA-GelMA貼片的水中穩(wěn)定性隨GelMA含量增加而提高。圖2g和2i顯示，PolyLA-GelMA貼片的拉伸強(qiáng)度和延伸率隨GelMA含量變化而先降后升。圖2h顯示含75% GelMA的PolyLA-GelMA貼片在拉伸測試中出現(xiàn)脆性斷裂，說明可通過調(diào)節(jié)GelMA含量優(yōu)化PolyLA-GelMA貼片的力學(xué)性能。

圖2 a) LA-GelMA溶液和干燥Poly LA-GelMA貼片的紫外-可見吸收光譜；b) LA粉末和PolyLA-GelMA-25的拉曼光譜；c) LA、PolyLA-GelMA-25和GelMA的ATR-IR光譜；d) PolyLA和PolyLA- GelMA -x的XRD譜圖；e) PolyLA和PolyLA- GelMA -5的XRD譜圖；f) 37℃水浸不同時(shí)間PolyLA-GelMA貼片直徑變化；g) PolyLA和PolyLA- GelMA -75的拉伸曲線和拉伸圖像；h)不同GelMA含量的PolyLA-GelMA拉伸曲線；i)不同GelMA含量PolyLA-GelMA的拉伸應(yīng)力

（2）PolyLA-GelMA貼片的濕響應(yīng)行為

圖3a顯示PolyLA-GelMA-25貼片在90%相對濕度下獲得濕響應(yīng)粘附能力。圖3b-d的水接觸角測試顯示，原始PolyLA因高度親水性表現(xiàn)出最小接觸角，GelMA含量增加使接觸角顯著增大，表明交聯(lián)密度上升，水吸收減少。圖3e的ATR-IR光譜表明，90% RH環(huán)境中放置后PolyLA-GelMA的羧基-OH峰強(qiáng)度增加，顯示束縛水存在。圖3f的XRD結(jié)果顯示吸水后PolyLA-GelMA晶體相衍射峰消失，結(jié)構(gòu)趨于非晶態(tài)。圖3g的DMA曲線表明，PolyLA-GelMA在吸水后玻璃化轉(zhuǎn)變溫度從45.3°C降至27.3°C，鏈柔性增加便于粘附。圖3h展示PolyLA-GelMA吸水后變軟的狀態(tài)。圖3i-k的拉伸測試顯示吸水后拉伸應(yīng)力下降，伸長增加，證明其濕響應(yīng)柔軟特性，適用于提高口腔應(yīng)用中的舒適度。

圖3 a) PolyLA-GelMA-25的濕響應(yīng)粘附行為；b)在90% RH環(huán)境下放置10分鐘前后PolyLA-GelMA-25與玻璃的粘附圖像；c， d)原始PolyLA和PolyLA- GelMA -x的水接觸角；e)不同環(huán)境下PolyLA-GelMA-25的ATR-IR光譜；f)不同環(huán)境下PolyLA-GelMA-5的XRD譜圖；g) Poly -GelMA -25在不同環(huán)境下的DMA曲線；h)不同環(huán)境下PolyLA-GelMA-25的宏觀狀態(tài)；i)不同條件下PolyLA-GelMA-25的拉伸曲線；j) PolyLA-GelMA-x在不同環(huán)境下的拉伸應(yīng)力；k) PolyLA-GelMA-x在不同環(huán)境下的拉伸應(yīng)變

（3）PolyLA-GelMA貼片的組織粘附行為

圖4a、b展示了PolyLA-GelMA-25貼片對多種濕組織的粘附能力和粘附強(qiáng)度，包括口腔粘膜、豬皮膚、大腸、胃、小腸和心肌組織。圖4c-e進(jìn)一步展示了不同GelMA含量的PolyLA-GelMA貼片對豬皮的粘附強(qiáng)度和界面韌性，其中PolyLA-GelMA-25展現(xiàn)了最高的粘附強(qiáng)度和界面韌性。圖4f和圖4g、h顯示了PolyLA-GelMA-25貼片對豬牙齦組織的粘附能力，通過搭接剪切測試表明PolyLA-GelMA-25對口腔粘膜的粘附強(qiáng)度最高，達(dá)到28.9 kPa。圖4i展示了PolyLA-GelMA-25貼片能夠在大鼠口腔的不同部位緊密粘附并承受拉伸運(yùn)動(dòng)。圖4j比較了PolyLA-GelMA-25貼片與傳統(tǒng)牙周炎藥物（甲硝唑口腔粘附貼片MTZ和Perio鹽酸米諾環(huán)素軟膏PERIO）在口腔內(nèi)的持久粘附能力，PolyLA-GelMA貼片能夠在口腔粘膜上牢固粘附約24小時(shí)，而MTZ和PERIO在1小時(shí)內(nèi)溶解。這些結(jié)果表明PolyLA-GelMA貼片具有優(yōu)異的濕組織粘附性能，是一種有前景的牙周炎修復(fù)貼片。

圖4 a、b) PolyLA-GelMA-25貼片對各種濕組織的粘附能力和粘附強(qiáng)度；c，d) PolyLA-GelMA-x貼片與豬皮的搭接剪切曲線(c)和粘附強(qiáng)度(d)；e) PolyLA-GelMA-x與豬皮的界面韌性；f) PolyLA-GelMA-25貼片在猛烈沖水條件下能與豬牙齦組織緊密粘附的照片；g，h) PolyLA-GelMA-x貼片與口腔黏膜的搭接剪切曲線(g)和粘附強(qiáng)度(h) ；i)照片顯示PolyLA-GelMA-25貼片能緊密粘附在大鼠口腔的不同部位，并能承受拉伸運(yùn)動(dòng)；j) PolyLA-GelMA-25、MTZ和PERIO在口腔內(nèi)的持久粘附能力

（4）PolyLA-GelMA貼片的生物相容性、抗氧化和抗菌活性

圖5a顯示PolyLA-GelMA-x貼片在人工唾液中7天內(nèi)持續(xù)釋放LA基單體，釋放效率約為50%。圖5b-d展示PolyLA-GelMA貼片對DPPH、·OH和ABTS自由基的清除效率，顯示其出色的抗氧化活性。圖5e表明PolyLA-GelMA貼片顯著降低E. coli和S. aureus的存活率（低于20%）。圖5f顯示PolyLA-GelMA-x貼片抑制了瓊脂平板上細(xì)菌集落的生長。圖5g顯示溶血率隨GelMA含量增加而降低，表明其良好的血液相容性。圖5h的活死染色結(jié)果顯示PDLSCs均勻分布且存活，具良好細(xì)胞相容性。圖5i表明10 μg/mL濃度的PolyLA-GelMA-x在1天和3天時(shí)顯著促進(jìn)PDLSCs增殖。圖5j-k的ROS檢測結(jié)果顯示PolyLA-GelMA-25、50和75貼片使PDLSCs熒光強(qiáng)度分別降低85%、70%和51%，具有顯著抗氧化效果。圖5l的流式細(xì)胞儀分析表明PolyLA-GelMA-25、50和75貼片處理后ROS陽性率分別降至6.5%、12.5%和18.6%，其中PolyLA-GelMA-25抗氧化活性最佳。

圖5 a) PolyLA-GelMA-x貼片在人工唾液中的單體釋放量；b-d)PolyLA-GelMA-x對DPPH自由基(b)、羥基自由基(c)和ABTS自由基(d)的清除效率；e)與PolyLA-GelMA-x貼片共孵育12 h后大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的存活率；f)與PolyLA-GelMA-x共培養(yǎng)后，金黃色葡萄球菌和大腸桿菌在瓊脂板上菌落生長的圖像；g) PolyLA-GelMA-x貼片溶血率；h)與PolyLA-GelMA-x貼片共培養(yǎng)24h的PDLSCs的活/死染色；i)與PolyLA-GelMA-x貼片共培養(yǎng)1天和3天的PDLSCs細(xì)胞活力；j， k) PolyLA-GelMA-x貼片處理PDLSCs 24 h后DCFH-DA ROS檢測實(shí)驗(yàn)的平均熒光強(qiáng)度（j）和熒光顯微照片(k)；l)流式細(xì)胞術(shù)分析不同組FITC-A通道中DCFH-DA標(biāo)記的細(xì)胞

（5）牙周炎大鼠模型的治療作用

圖6a展示了大鼠模型治療4周后上頜骨的三維重建和二維圖像，通過微計(jì)算機(jī)斷層掃描（micro-CT）分析了牙槽骨吸收情況。與未治療的對照（+）組相比，PolyLA-GelMA貼片組顯示出最佳的抑制牙槽骨吸收效果。圖6b、c和d分別定量分析了牙槽骨的CEJ-ABC距離、骨密度（BMD）和骨體積分?jǐn)?shù)（BV/TV），結(jié)果顯示PolyLA-GelMA組的BMD和BV/TV最高，表明PolyLA-GelMA貼片能有效減輕牙周炎模型中的牙槽骨吸收。圖6e展示了不同治療組牙周組織修復(fù)的H&E染色、Masson染色和TNF-α及IL-1β的免疫組化染色，PolyLA-GelMA貼片組和PERIO組在組織學(xué)上顯示出良好的治療效果，包括更厚的上皮細(xì)胞層、較少的炎癥細(xì)胞浸潤、更密集的彈性和膠原纖維組織以及更規(guī)則的排列。圖6f定量分析了通過Masson染色得到的牙齦組織中膠原纖維面積的比例，PolyLA-GelMA貼片組顯示出更高的膠原纖維密度。圖6g和h定量分析了修復(fù)后的牙周組織中TNF-α和IL-1β抗體的表達(dá)水平，PolyLA-GelMA貼片組顯示出與對照（-）組相近的低表達(dá)水平，表明PolyLA-GelMA貼片能有效減輕牙周炎癥并促進(jìn)牙槽骨修復(fù)。這些結(jié)果支持了PolyLA-GelMA-25貼片在牙周炎治療中的巨大潛力，其治療效果與市場上最常見的PERIO軟膏相當(dāng)。

圖6  a) 治療后第4周上頜牙槽骨的3D重建微CT和2D圖像；b-d) 量化CEJ-ABC距離（b）、BMD（c）和BV/TV（d）；e) 在28天修復(fù)后對修復(fù)的牙周組織進(jìn)行HE染色、Masson染色和TNF-α及IL-1β抗體的免疫組化染色；f) 通過Masson染色對不同組治療后牙齦組織膠原纖維面積比進(jìn)行量化；g， h) 分析修復(fù)后28天牙周組織中TNF-α（g）和IL-1β（h）抗體的表達(dá)水平

【研究小結(jié)】

該研究提出了一種基于α-硫辛酸（PolyLA）的共酶聚合物彈性貼片，通過與甲基丙烯?；髂z（GelMA）結(jié)合，制備了一種濕環(huán)境響應(yīng)型的貼片。這種貼片在水的作用下能夠誘導(dǎo)粘附和軟化，有效解決了傳統(tǒng)生物材料在濕潤口腔環(huán)境中粘附性差、停留時(shí)間短和藥物抗性等問題。研究團(tuán)隊(duì)通過在PolyLA中引入GelMA，不僅增強(qiáng)了材料的濕穩(wěn)定性，延長了其在水中的解離時(shí)間，還通過形成多重共價(jià)鍵和氫鍵交聯(lián)，提高了貼片的粘附性和柔軟性。在體外研究中，PolyLA-GelMA貼片展現(xiàn)出了令人滿意的濕組織粘附性、抗菌性、血液相容性和活性氧（ROS）清除能力。在大鼠牙周炎模型中，該貼片能夠抑制牙槽骨吸收，并加速牙周炎愈合過程，通過調(diào)節(jié)炎癥微環(huán)境發(fā)揮治療作用。這表明PolyLA-GelMA貼片在牙周炎治療領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

該研究的創(chuàng)新之處在于開發(fā)了一種能夠在濕潤環(huán)境中響應(yīng)并改善粘附性能的生物材料，這對于牙周炎等口腔疾病的治療具有重要意義。傳統(tǒng)的治療方法往往因?yàn)樗幬镌跐駶櫗h(huán)境中的保留時(shí)間短而效果有限，而本研究的貼片通過其濕響應(yīng)特性，能夠更好地粘附于牙周組織，持續(xù)釋放生物活性分子，從而提高了治療效果。此外，該貼片的生物相容性和生物可降解性也為其在臨床應(yīng)用中提供了安全性保障。未來，這種材料的進(jìn)一步優(yōu)化和臨床試驗(yàn)可能會為牙周炎患者提供一種更為有效和舒適的治療選擇。同時(shí)，這種濕響應(yīng)型材料的設(shè)計(jì)思路也可能為其他生物材料的開發(fā)提供新的方向，尤其是在需要在濕潤環(huán)境中粘附和釋放藥物的場合。