武汉大学黄翠、郭景梅AFM：光响应自矿化胶原材料成功构建仿生牙本质层，推动牙本质再生治疗新突破

牙齿完整性对维持口腔及全身健康至关重要。牙本质退化是临床常见问题，暴露的牙本质小管成为刺激物和病原体的直接通道，引发疼痛、炎症甚至不可逆的牙髓损伤。尽管仿生矿化技术为牙本质再生带来希望，但其临床应用仍面临胶原降解、矿物前体传递效率低及牙髓-牙本质复合体功能恢复不足等多重挑战。

近日，武汉大学黄翠教授、郭景梅主治医师研究通过光交联甲基丙烯酰化I型胶原（ColMA）与甲基丙烯酰化聚丙烯酸稳定的无定形磷酸钙（PMA@ACP），成功构建了一种名为ColPMA@ACP的生物仿生水凝胶，该材料能够在光照下自发诱导胶原纤维内矿化，有效封闭牙本质小管，恢复牙本质机械性能，并促进修复性牙本质形成，为牙本质缺损修复提供了全新的最小侵入性治疗策略。相关论文以“Engineering a Biomimetic DentinLayer via Light-Responsive Self-Mineralizing Collagen Matrix for Dentin Repair”为题，发表在

Advanced Functional Materials

研究人员首先合成了光交联聚合物PMA，并通过酰胺化反应引入双键，使其具备可控的光交联能力。FTIR和NMR分析证实了PMA的成功合成，其与ACP结合后形成的PMA@ACP在低温电镜下呈现簇状无定形结构，zeta电位分析表明其表面电荷显著提高，有利于矿物离子的稳定和后续矿化过程。相比之下，未稳定的磷酸钙溶液则出现明显晶体转变。

示意图1. ColPMA@ACP通过光交联ColMA与PMA@ACP形成的示意图及其在缺陷牙本质治疗中的协同作用。A) ColPMA@ACP的合成过程示意图；B) ColPMA@ACP对缺陷牙本质再矿化效果的示意图；C) ColPMA@ACP通过牙髓-牙本质复合体促进牙本质修复与再生的多功能示意图。

图1. PMA与PMA@ACP的合成与表征。A) PMA与PMA@ACP合成示意图；B) AEMA、PAA和PMA的FTIR光谱；C) AEMA、PAA和PMA的1HNMR谱图；D) PMA@ACP的冷冻电镜图像；E) CaP溶液的冷冻电镜图像；F) AEMA、PAA、PMA、CaP和PMA@ACP的Zeta电位。

进一步实验表明，PMA@ACP能够在4小时内诱导重组胶原发生纤维内矿化，TEM和EDS分析显示钙、磷元素沿胶原长轴富集，SAED和HRTEM证实羟基磷灰石晶体沿胶原定向生长。共聚焦显微镜三维成像进一步揭示了矿物质不仅沉积在胶原表面，还深入其内部。通过光交联策略，ColMA与PMA形成共价连接，显著提高了矿化效率和空间控制的精确性。

图2. PMA@ACP介导的重组ColMA纤维的纤维内矿化。A) 经PMA@ACP矿化4小时的ColMA纤维的EDS元素分布、SAED图谱；B) HRTEM图像；C) 矿化2天后ColMA纤维内钙的空间分布三维共聚焦图像；D) 有无PMA@ACP光交联下矿化ColMA纤维的TEM和SEM图像；E) SEM-拉曼映射图像；F) AFM形貌与DMT模量映射图像；G) ColPMA@ACP水凝胶合成过程示意图；H) 自矿化3天后ColPMA@ACP的FESEM图像；I) EDS元素分布图像；J) 矿化后ColPMA@ACP的XPS谱图，包括P 2p和Ca 2p谱。

研究团队还开发了可注射的ColPMA@ACP水凝胶，该材料在蓝光照射下迅速交联形成网络结构，并在72小时内实现自发矿化。流变学测试显示其储能模量显著提升，FESEM和XPS分析证实了羟基磷灰石的形成。该水凝胶在体外牙本质片模型中表现出良好的小管渗透能力，能深度封闭小管并显著降低牙本质通透性。AFM和显微硬度测试表明，经ColPMA@ACP处理后的牙本质机械性能接近天然牙本质。

图3. ColPMA@ACP对牙本质小管封闭和再矿化效果的体外评估。A) i) 牙本质样本制备、处理示意图；ii) 牙本质通透性测量的流体渗透装置示意图；B) 经ColPMA@ACP处理或不处理的牙本质样本在人工唾液中培养3天或7天后的代表性FESEM图像；C) 天然牙本质、酸蚀牙本质及经ColPMA@ACP处理7天后的AFM形貌与DMT模量映射图像；D) DMT模量定量结果；E) 牙本质显微硬度数据；F) 各组牙本质样本在不同时间点的通透性数据；G) 天然牙本质、酸蚀牙本质及经ColPMA@ACP处理7天后的XRD分析。

生物相容性实验显示，ColPMA@ACP对人牙髓干细胞（hDPSCs）无细胞毒性，并能显著促进其成牙向分化。ALP活性升高、成牙相关基因（如ALPL、RUNX2、BSP、OPN、OCN、DSPP）表达上调以及DSPP蛋白的高表达，均表明该材料具有良好的生物活性。转录组分析进一步揭示，ColPMA@ACP通过调控PI3K-AKT、cAMP、Wnt、钙信号等多条通路协同促进成牙分化。

图4. ColPMA@ACP的体外生物相容性与成牙诱导能力。A) hDPSCs与ColMA、ColPMA或ColPMA@ACP通过Transwell共培养示意图；B) CCK-8法检测细胞活性；C) 培养5天后的荧光染色、结晶紫染色和考马斯蓝染色图像；D) ALP染色图像；E) ALP活性定量结果；F) 成牙相关基因的qRT-PCR分析；G) 培养7天后DSPP的免疫荧光图像。

图5. 成牙机制转录组分析。A) 基因主成分分析；B) 基因表达火山图；C) 差异表达基因热图；D) 上调基因的GO富集分析；E) 富集GO条目的环形热图；F) 上调基因的KEGG通路富集分析；G) KEGG富集条目的弦图；H) 差异表达基因的蛋白质-蛋白质互作网络分析。

在大鼠口腔模型中，ColPMA@ACP表现出优异的牙本质小管封闭能力和深部矿化潜力。Micro-CT和组织切片显示新材料能促进修复性牙本质形成，免疫组化分析证实DSPP、DMP1、OCN等矿化相关蛋白表达上升，炎症因子（TNF-α、IL-1β）表达下降，疼痛相关受体（TRPA1、CGRP）表达减少，表明该材料不仅能促进结构修复，还能调节免疫微环境和抑制疼痛信号。

图6. 牙本质小管封闭的体内动物实验。A) 牙本质片固定于大鼠口腔内的示意图；B) 经ColPMA@ACP处理或不处理的牙本质片在大鼠口腔内培养7天或14天后的FESEM图像；C) 大鼠磨牙过敏模型建立及实验设计示意图；D) 经ColPMA@ACP处理或不处理的大鼠磨牙在培养7天或14天后的FESEM图像。

图7. ColPMA@ACP增强的体内牙齿再生效果。A) 经ColPMA@ACP处理或不处理的大鼠磨牙在7天或14天后的Micro-CT图像；B) H&E染色和Masson三色染色图像；C) 处理后2周DSPP、DMP1、OCN、TNF-α、IL-1β、CD68/iNOS、CD68/CD206的免疫荧光染色图像；D–H) 各标志物阳性细胞的半定量结果；I) 处理后2周DSPP、DMP1、TRPA1、CGRP、CD31的免疫组化染色图像。

综上所述，该研究通过光响应自矿化胶原材料成功构建了具有结构-功能一体化修复能力的仿生牙本质层，不仅解决了传统仿生矿化中的关键瓶颈，还为牙本质再生提供了一种具有临床转化潜力的新型策略。未来研究将通过更多对照实验和标准化缺陷模型进一步优化该材料的修复性能，推动其在再生牙医学中的广泛应用。

来源：高分子科学前沿

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