天津大学张雷教授AFM：两性离子改性高水溶卟啉用于牙齿高效美白和细菌生物膜清除

牙齿变色和生物膜引起的牙科疾病是最常见的牙齿健康问题。香烟、有色食物和饮料的摄入都会导致牙齿污染和变色。受污染的牙齿又为细菌的滋生提供了营养，大量细菌在牙齿上聚集、增殖，进而形成生物膜，易导致诸多牙齿疾病，如牙菌斑、牙釉质脱矿、龋齿和牙周炎等。生物膜一旦形成就非常难以治疗，这是因为其中的细菌被包裹在细胞外聚合物基质（EPS）中。EPS作为一种屏障，其主要成分为胞外DNA、多糖和糖蛋白。EPS不仅使宿主免疫细胞不能进入从而清除细菌，还能阻止抗生素渗入杀死细菌。

目前，牙齿美白方法主要为物理美白，如物理抛光和贴片。然而，这两种方法都需要专业的牙科医生操作，并且会对牙釉质造成不可逆的机械损害。与物理美白相比，以产生活性氧（ROS）为基础的化学漂白技术是一种对牙齿伤害性更小的牙齿美白方法。ROS不仅能将色原氧化成无色的小分子，还可以通过分解EPS中的胞外DNA、多糖和糖蛋白等分子来瓦解生物膜。目前常用的漂白剂有过氧化氢和过氧化脲（与水接触时释放过氧化氢），但是，具有强氧化性的过氧化氢仍会腐蚀牙齿，使牙齿表面变粗糙，易导致牙齿的再次染色和细菌的重新定植。此外，过氧化氢和过氧化脲对牙龈和口腔软组织具有强烈的刺激性。

为解决以上问题，天津大学化工学院张雷教授团队和天津医科大学口腔医院张旭教授团队合作，提出了一种新型的光动力牙科治疗（PDDT）策略，并于近日以“A Bifunctional Zwitterion-Modified Porphyrin for Photodynamic Nondestructive Tooth Whitening and Biofilm Eradication”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

图1ZMP的合成路线及PDDT用于牙齿美白和生物膜清除的示意图。

光动力疗法是一种具有高度时空精准性的治疗技术，当光敏剂在分子氧存在的情况下被光激发，可以产生ROS。通过调节光源，光敏剂位置和治疗时间，可以精确控制ROS的产量，实现按需生产，避免对正常组织造成损伤。原卟啉（PP）已被广泛用作光动力抗肿瘤/抗菌治疗中的光敏剂，但是，原卟啉不溶于水，在生理条件下容易聚集，这严重影响了其产生ROS的能力，并阻碍了其在体内的实际应用。为解决该问题，作者设计了一种两性离子修饰的亲水性卟啉(ZMP)。由于两性离子基团的高度亲水性，被修饰的原卟啉的水溶性显著增强（图2a），并且由于避免了分子聚集及其合理的电子供受体结构，使其ROS产率提高至原来的8倍（图2b）。

图2（a）ZMP和PP在水中的UV-vis吸收光谱和水溶性示意图；（b）用DCFH作为ROS探针，检测ZMP在紫光照射下的ROS产量。

ZMP介导的PDDT不仅可以无损地美白被咖啡、茶水、葡萄汁、蓝莓汁染色的牙齿（图3），还可以有效去除牙冠上95%的变形链球菌生物膜（图4）。基于ZMP的PDDT具有无损牙齿美白和根除生物膜的双重功效。可为牙齿美白以及预防和治疗生物膜诱发的牙菌斑、牙釉质脱矿、龋齿、牙周炎等疾病提供更便捷、更安全、更有效的策略。

图3 基于PDDT的无损牙齿美白效果。（a）无光照和不同时长紫光照射的ZMP水溶液对染色牙齿的美白效果照片；（b-e）用Lab色彩模型和白度（W）来定量研究美白效果；（f）被美白牙齿的表面腐蚀情况。

图4 离体牙上变形链球菌生物膜的清除效果。（a）光动力处理后的变形链球菌生物膜的激光共聚焦3D图；（b）生物膜中仍然存活的细菌比例；（c）被清除的生物膜比例。

该研究得到了国家自然科学基金国际合作项目的资金支持，合作团队为天津医科大学口腔医院张旭教授课题组。论文第一作者为天津大学化工学院博士生张浩，共同第一作者为郑州大学药学院朱迎男老师，通讯作者为张雷教授。

作者简介：

张雷，天津大学化工学院生物化工系教授、博士生导师、系主任。获国家自然科学基金委“优秀青年科学基金”、教育部“新世纪优秀人才支撑计划”、天津市“中青年科技创新领军人才”、“侯德榜化工青年奖”、“天津首届青年创新能手”等，担任《中国化工学报（英文版）》， Biomedical Materials等SCI期刊编委。一直致力于研究开发具有抗生物粘附、抗冻保护等独特性质的新型亲水分子，并将其应用于生物化工多个领域，包括抗菌材料、免疫屏蔽材料、超低温冻存、抗冻材料、海洋涂料等。

课题组主页：

http://bpetc.tju.edu.cn/zhanglab.html

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202104799

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来源：高分子科学前沿

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