《BAM》南方医科大学徐会勇/邱小忠/孙晓敏等：长棒纳米羟基磷灰石水凝胶修复牙周骨

近期，南方医科大学南方医院徐会勇、南方医科大学基础医学院邱小忠和中医药学院孙晓敏等在科爱创办的期刊Bioactive Materials发表研究论文。研究构建长棒纳米羟基磷灰石/TA-Zn 功能涂层复合水凝胶，通过抗菌、抗氧化和免疫重编程促进牙周炎相关牙槽骨再生，为感染炎症微环境下骨修复提供新策略。

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研究内容简介

牙周炎是一类以细菌生物膜、宿主免疫失衡和牙槽骨持续吸收为核心特征的慢性炎症性疾病。传统龈下刮治、手术和抗生素治疗主要聚焦于感染控制，难以同步解决活性氧积累、M1/M2 巨噬细胞极化失衡、成骨细胞功能受抑和局部药物滞留不足等问题。该研究围绕牙周炎骨缺损中“感染-氧化应激-炎症免疫-骨再生”相互耦合的病理微环境，提出以羟基磷灰石纳米颗粒形貌为核心设计变量，构建兼具抗菌、抗氧化、免疫调控、促成骨/促血管生成与细胞募集能力的局部递送平台。

示意图 1：用于牙周炎治疗的形貌优化纳米平台示意图。

一、以羟基磷灰石的纳米形貌作为独立变量构建 HA@TZ 功能纳米颗粒

羟基磷灰石（HA）因其与天然骨矿物高度相似，长期被用于骨组织工程研究，但多数研究将 HA 纳米颗粒简化为近球形填料，忽视了骨组织中高长径比棒状矿物结构可能带来的形貌生物学效应。作者分别选取球形 HA（S-HA）、短棒 HA（SR-HA）和长棒 HA（LR-HA）作为纳米核心，并通过单宁酸（TA）与 Zn2+ 的金属-多酚网络（MPN）在其表面构建 TA-Zn 功能涂层，形成 S-HA@TZ、SR-HA@TZ 和 LR-HA@TZ 三类纳米颗粒。

TEM、EDX、DLS、UV-vis 和 XPS 等结果证实，TA-Zn MPN 可在不同形貌 HA 表面实现均匀自组装，并保留颗粒原有拓扑形貌。值得注意的是，三类 HA@TZ 在相同纳米颗粒质量下的 TA 总负载量接近，因此后续生物学差异并非简单来源于活性组分负载量，而更可能由纳米形貌与表面功能涂层的协同调控决定。

图 1：HA@TZ NPs 的合成与表征。（A）HA@TZ NPs 合成过程示意图。（B-D）HA NPs 和 HA@TZ NPs 的 TEM 图像。（E-G）HA@TZ NPs 的 EDX 元素映射。（H）LR-HA NPs 和 LR-HA@TZ NPs 的 XPS 谱图。（I）LR-HA NPs 和 LR-HA@TZ NPs 中 O 1s 的高分辨谱图。（J）LR-HA@TZ NPs 中 Zn 2p 的高分辨谱图。

二、长棒形貌协同 TA-Zn 涂层增强抗氧化与免疫重编程

在牙周炎微环境中，牙龈卟啉单胞菌来源 LPS（Pg. LPS）可诱导巨噬细胞向促炎 M1 表型偏移，并伴随 ROS 过量积累。DPPH 自由基清除和细胞内 ROS 检测结果显示，未修饰 HA 本身抗氧化能力有限，而 TA-Zn 涂层赋予 HA@TZ 明显自由基清除和细胞内抗氧化能力，其中 LR-HA@TZ 表现最优。该结果表明长棒拓扑结构可放大表面功能涂层在细胞内的抗氧化效应。

免疫荧光、流式细胞术和 RT-qPCR 结果进一步显示，在 Pg. LPS 诱导的炎症模型中，LR-HA@TZ 最有效降低 iNOS、CD86、TNF-α 和 IL-6 等 M1 相关标志物，同时上调 CD206、ARG-1 和 IL-4 等 M2 相关标志物。流式结果中，LR-HA@TZ 诱导的 M2 极化比例达到 42.5%，明显高于 Pg. LPS 组及球形、短棒 HA@TZ 组，证明长棒形貌是驱动免疫微环境由促炎向促修复转变的关键物理因素。

图 2：HA@TZ NPs 的自由基清除能力、细胞内抗氧化性能和免疫调节性能。（A）不同浓度 LR-HA@TZ NPs 在 DPPH 自由基清除实验中的 UV-vis 吸收曲线及定量分析。（B）2.5 mg/mL HA NPs 和 HA@TZ NPs 在 DPPH 自由基清除实验中的 UV-vis 吸收曲线及定量分析。（C）细胞内总 ROS 荧光图像，比例尺 = 100 μm。（D）iNOS 和 CD206 的 IF 染色图像，比例尺 = 20 μm。（E-H）以 GAPDH 为内参，通过 RT-qPCR 检测 TNF-α、IL-6、ARG-1 和 IL-4 的 mRNA 表达。（I）流式细胞术分析 RAW264.7 表面标志物 CD86 和 CD206 的代表性图像。n = 3 个独立样本；*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，****p < 0.0001，ns 表示无显著性差异。

三、Integrin/FAK/RhoA/ROCK 力学转导解释形貌依赖性免疫调控

为解析长棒形貌为何具有更强免疫调控能力，作者考察了纳米颗粒摄取、细胞骨架重排和力学转导通路。巨噬细胞内吞 LR-HA@TZ 后出现更明显的细胞伸展和 F-actin 重构，提示高长径比纳米结构可作为力学拓扑信号改变细胞骨架张力。Western blot 显示，LR-HA@TZ 显著上调 Integrin αV、Integrin β1 及 p-FAK，并激活 RhoA/ROCK2/p-MLC 级联反应。

该通路的激活促进巨噬细胞向 M2 表型转化，并增强 VEGF 和 BMP-2 等促再生因子的分泌。由 LR-HA@TZ 处理巨噬细胞获得的条件培养基可显著促进 HUVEC 迁移和管腔形成，说明材料诱导的免疫调控进一步转化为促血管生成效应。该机制将“纳米形貌-细胞骨架-力学转导-免疫表型-再生因子分泌”串联起来，为形貌驱动型骨免疫调控提供了清晰证据。

图 3：巨噬细胞摄取、力学转导通路激活及其介导的促再生因子分泌和血管生成增强。（A）代表性荧光图像显示 S-HA@TZ、SR-HA@TZ 和 LR-HA@TZ 与 RAW264.7 细胞骨架的共定位，并采用 F-actin 染色，比例尺 = 20 μm。（B）Western blot 检测 Integrin αV、Integrin β1、p-FAK、total FAK、total RhoA、total ROCK2、p-MLC、total MLC 和 GAPDH 的表达。（C）LR-HA@TZ NPs 介导巨噬细胞力学转导及后续免疫调节的机制示意图，即其“形貌-表面协同编程”可激活 Integrin 信号，特别是 Integrin αV 和 β1，触发 FAK/RhoA/ROCK 通路，引起 MLC 磷酸化及强烈的肌动蛋白组织和细胞骨架重排，最终驱动巨噬细胞由促炎 M1 表型向促愈合 M2 表型转化，表现为 TNF-α、IL-6 下调，IL-4、ARG-1 及 VEGF、BMP-2 等关键促再生因子上调。（D）0 和 24 h 细胞划痕实验代表性图像，比例尺 = 500 μm。（E）12 h 血管生成实验代表性图像，比例尺 = 100 μm。（F, G）以 GAPDH 为内参，通过 RT-qPCR 检测 BMP-2 和 VEGF 的 mRNA 表达。（H, I）ELISA 定量分析 BMP-2 和 VEGF。n = 3 个独立样本；*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，ns 表示无显著性差异。

四、优化骨免疫微环境促进 rBMSCs 成骨分化和内源性细胞募集

牙周炎相关炎症微环境会显著抑制骨髓间充质干细胞（rBMSCs）的成骨分化和迁移。作者利用不同纳米颗粒处理巨噬细胞后的条件培养基培养 rBMSCs，发现 Pg. LPS 条件培养基降低 ALP 活性、钙结节形成以及 ALP、RUNX2、OCN 等成骨标志蛋白表达；而 HA@TZ，尤其是 LR-HA@TZ 处理后的条件培养基，可有效逆转上述抑制效应，并将成骨相关蛋白表达恢复至接近对照水平。

Transwell 迁移实验进一步表明，LR-HA@TZ 通过改善巨噬细胞介导的骨免疫微环境，增强 rBMSCs 向缺损部位迁移的能力。这意味着该纳米平台不仅直接调节炎症状态，还可通过免疫-成骨细胞互作促进内源性修复细胞募集，为原位牙周骨再生奠定基础。

图 4：HA@TZ NPs 诱导的巨噬细胞条件培养基促进 rBMSCs 成骨分化与募集。（A）LR-HA@TZ 促进 M2 巨噬细胞介导的骨免疫微环境形成，并进一步增强血管生成和成骨的示意图。（B, C）rBMSCs 的 ALP 和 ARS 染色，比例尺 = 200 μm。（D, E）ALP 活性和钙沉积定量分析。n = 6 个独立样本；*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，****p < 0.0001，ns 表示无显著性差异。（F-H）ALP、RUNX2 和 OCN 的 IF 染色图像，比例尺 = 50 μm。（I-K）ALP、RUNX2 和 OCN 的单细胞平均荧光强度定量分析。（L）Transwell 细胞迁移实验示意图。（M）48 h Transwell 迁移实验代表性图像，比例尺 = 100 μm。n = 3 个独立样本；*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，****p < 0.0001，ns 表示无显著性差异。

五、构建可注射、自愈合、黏附性 G-LR-HA@TZ 复合水凝胶

为解决颗粒材料在牙周袋内滞留不足、易受龈沟液冲刷的问题，作者将优化后的 LR-HA@TZ 嵌入羧甲基壳聚糖（CMCS）/氧化海藻酸钠（OSA）双网络水凝胶，构建 G-LR-HA@TZ。该水凝胶主要通过 CMCS 与 OSA 之间的 Schiff 碱反应形成动态网络，同时 TA-Zn MPN 与水凝胶基质之间的氢键作用进一步增强结构稳定性，并有助于 TA 和 Zn2+ 的持续释放。

G-LR-HA@TZ 在 2 min 内快速成胶，具备优良可注射性、剪切变稀、自愈合、形状适应性及湿组织黏附性能。其可通过注射方式进入不规则牙周袋并原位成型，既能抵抗局部流体冲刷，又可作为生物活性屏障与药物储库，维持长期局部治疗效果。

图 5：复合水凝胶的制备与表征。（A）G-LR-HA@TZ 复合水凝胶交联机制示意图。（B）G-LR-HA@TZ 复合水凝胶制备过程和凝胶化过程的光学照片。（C）G-LR-HA@TZ 复合水凝胶的自愈合行为。（D）G-LR-HA@TZ 复合水凝胶的可注射性。（E）G-LR-HA@TZ 复合水凝胶在不同基底上的黏附性。（F）G-LR-HA@TZ 复合水凝胶的形状适应性。（G）水凝胶应力-应变曲线。（H）水凝胶溶胀率和（I）降解率。（J）G 和 G-LR-HA@TZ 复合水凝胶的剪切变稀行为。（K）水凝胶动态时间扫描测试和（L）频率扫描测试。（M）G-LR-HA@TZ 复合水凝胶在 5% 和 200% 交替应变幅度下连续阶跃应变测试中的 G′ 和 G″。n = 3 个独立样本。

SEM 和 EDX 结果显示，复合水凝胶内部形成多孔网络，并能均匀分布 HA@TZ 纳米组分。相较纯 CMCS/OSA 水凝胶，HA@TZ 的引入显著延缓材料降解，在人工唾液环境中维持更高残余质量；同时 TA 和 Zn2+ 能够从复合体系中持续释放，支持其作为长期免疫调控和抗菌递送平台的功能定位。

图 6：复合水凝胶的 SEM 图像、EDX 分析以及 TA 和 Zn 的释放行为。（A）水凝胶代表性 SEM 图像，比例尺 = 300 μm。（B-D）HA@TA NPs 修饰复合水凝胶的元素映射，比例尺 = 80 μm。（E）水凝胶孔径定量分析。（F）TA 和（G）Zn2+ 从 HA@TZ NPs 及 HA@TA NPs 修饰复合水凝胶中的累积释放。n = 3 个独立样本；*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，****p < 0.0001，ns 表示无显著性差异。

六、抗菌与止血性能支撑牙周炎局部治疗需求

牙周炎是由多菌群失衡驱动的炎症性疾病，局部抗菌能力是材料发挥再生作用的前提。抑菌圈、菌液 OD 和 Live/Dead 染色结果表明，G-LR-HA@TZ 对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和牙龈卟啉单胞菌均具有最强抑菌/杀菌效果。其抗菌机制来自 TA 与 Zn2+ 的化学杀菌作用，以及长棒纳米颗粒可能对细菌膜结构产生的接触性机械破坏。

此外，G-LR-HA@TZ 在肝出血和断尾模型中显著降低失血量，表现出高效止血能力。牙周袋局部给药常伴随出血和潮湿环境，材料的湿黏附、快速凝胶化和止血性能可提高其局部稳定性，为后续抗炎、免疫重编程和组织再生提供更有利的微环境。

图 7：复合水凝胶的抗菌活性和止血性能。（A, B）水凝胶对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌抑菌圈的光学照片。（C, D）金黄色葡萄球菌和大肠杆菌抑菌圈半径的定量分析。（E）金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和牙龈卟啉单胞菌的细菌存活率。（F）牙龈卟啉单胞菌的 Live/Dead 染色，比例尺 = 500 μm。（G）复合水凝胶用于肝出血模型和断尾模型的应用示意图。（H, I）肝出血模型和断尾模型中失血情况的代表性照片。（J, K）肝出血模型和断尾模型的失血量定量分析。n = 3 个独立样本；*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，****p < 0.0001，ns 表示无显著性差异。

七、体内验证：优于临床常用米诺环素软膏的牙槽骨再生效果

作者在结扎诱导的大鼠牙周炎模型中评价 G-LR-HA@TZ 的治疗效果，并以临床常用米诺环素软膏 Periocline® 作为阳性对照。治疗 7 天后，G-LR-HA@TZ 显著降低牙周组织中 iNOS 表达并提高 CD206 表达，说明其可在体内推动巨噬细胞由 M1 向 M2 表型转化。TRAP 染色显示，该材料明显减少破骨细胞数量，从而抑制炎症相关骨吸收。

治疗 28 天后，micro-CT 结果显示，G-LR-HA@TZ 组 CEJ-ABC 距离、颊侧骨丢失高度和 BV/TV 均优于空白水凝胶、未修饰 HA 复合水凝胶以及 Periocline® 对照组，提示其不仅能阻断牙槽骨破坏，还能促进骨量恢复。

图 8：HA@TZ NPs 修饰复合水凝胶在体内对牙周炎的治疗效果。（A）动物模型建立和实验流程示意图。（B）复合水凝胶治疗 7 天后牙周组织中 iNOS（红色）和 CD206（绿色）的 IF 染色图像，比例尺 = 20 μm。（C）复合水凝胶治疗 7 天后牙周组织的 TRAP 染色图像，红色箭头表示破骨细胞，比例尺 = 100 μm。（D, E）iNOS 和 CD206 积分光密度定量分析。（F）破骨细胞数量定量分析。（G）复合水凝胶治疗 28 天后 micro-CT 结果的 3D 重建和 2D 图像，上虚线为 CEJ，下虚线为 ABC，黄色线表示骨丢失，比例尺 = 2 mm。（H-J）颊侧骨丢失高度、CEJ-ABC 距离和 BV/TV 的定量评价。n = 6 个独立样本；*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，****p < 0.0001，ns 表示无显著性差异。

H&E、Masson、TRAP 和 OCN 免疫组化进一步证实，G-LR-HA@TZ 能改善牙周膜连续性、促进胶原沉积与牙槽骨组织再生，同时减少破骨细胞活性并增强 OCN 阳性表达。主要脏器 H&E 染色未显示明显组织损伤，支持其良好的体内生物相容性。

图 9：HA@TZ NPs 修饰复合水凝胶各组在第 28 天牙周组织的组织学分析。（A, B）复合水凝胶治疗 28 天后牙周组织的 H&E 染色和 Masson 三色染色，比例尺 = 500 μm；放大图比例尺 = 100 μm。（C）复合水凝胶治疗 28 天后牙周组织的 TRAP 染色图像，红色箭头表示破骨细胞，比例尺 = 100 μm。（D）复合水凝胶治疗 28 天后牙周组织的 OCN 免疫组化染色，比例尺 = 100 μm。（E）破骨细胞数量定量分析。（F）OCN 积分光密度定量分析。R：牙根；PDL：牙周膜；AB：牙槽骨。n = 6 个独立样本；*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001，****p < 0.0001，ns 表示无显著性差异。

八、总结与展望

该研究的核心贡献在于将 HA 纳米颗粒的形貌拓扑从“材料表征参数”提升为“功能设计变量”，提出并验证了“形貌-表面协同编程”策略。长棒 LR-HA@TZ 并非依赖更高 TA-Zn 负载量，而是通过高长径比形貌与 MPN 功能涂层协同，触发巨噬细胞骨架重构和 Integrin/FAK/RhoA/ROCK 力学转导，进而实现抗氧化、免疫重编程、促成骨/促血管生成和细胞募集的级联放大。

通过将 LR-HA@TZ 嵌入 CMCS/OSA 可注射水凝胶，研究进一步将纳米形貌生物学转化为适用于牙周袋局部递送的可操作平台。G-LR-HA@TZ 集成抗菌、止血、组织黏附、自愈合、可注射和免疫调控等多重功能，为牙周炎相关牙槽骨缺损再生提供了新的材料设计范式，也为复杂感染炎症微环境下骨缺损精准修复提供了可拓展思路。

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原文信息

Xinmiao Luo, Yutong He, Cheng Zeng, Siyuan Chen, Lu Wang, Guangbing Luo, Yanyan Li, Yongxi Luo, Xiaoliang Zhao, Xiaomin Sun*, Xiaozhong Qiu*, Huiyong Xu*. Long-rod nano-hydroxyapatite derived G-LR-HA@TZ acts as a multifunctional regenerative tool for periodontal bone. Bioactive Materials, 62 (2026) 547-568.

DOI: 10.1016/j.bioactmat.2026.03.030