《AM》生物活性水凝胶用于牙周病协同毒素中和、致病菌清除及骨再生修复

生物医学材料Frontierr

传统牙周炎治疗的限制在于缺乏具有毒素中和、消灭病原体和骨促进等功能的一体化材料。本研究利用巨噬细胞识别和中和病理刺激的天生能力，开发了新型工程巨噬细胞基材料：植酸/Zn2+负载胶化巨噬细胞（PZ-GMs）。这些材料通过聚合多阳离子水凝胶并在活巨噬细胞中装载植酸/Zn2+，在室温下制造，创新地将完整巨噬细胞膜的自然免疫中和功能与细胞内水凝胶的生物活性整合起来。研究发现 PZ-GMs 能消灭>99.99%的病原体，去除>90%的细菌毒素，消除>80%的相关炎症因子，同时通过原位矿化和骨诱导促进骨骼修复。它们还可以进一步掺入设计用于酸触发释放的水凝胶中，确保精准输送到炎症部位。在小鼠牙周炎模型中，PZ-GMs 通过双重机制促进牙周再生：一是改变细菌和毒素诱导的病理微环境，二是促进骨质微环境的重塑。此外，口腔微生物组稳态得以恢复。综合来看，PZ-GMs 代表了一种有前景的中和-根除-骨促进材料，用于高效牙周炎治疗。

该研究以题为“Macrophages Intracellularly Gelated With Bioactive Hydrogels for Synergistic Neutralization, Eradication, and Osteopromotion in Periodontitis Treatment”发表在Advanced Materials上。

图1

PZ-GMs的制造与递送示意图，以及其在牙周炎治疗中一体化中和-根除-骨促进功能的原理。

图2

PZ-GMs的制备与表征。（a） 多阳离子水凝胶合成的示意图，包括AEP、AEPP和AEPPZ水凝胶。（b） 由不同浓度（w/v）AETAC、3%（w/v）PEG-DA和0.125%（w/v）LAP组成的水凝胶单体溶液图像，均在光聚合前后。（c） 上述水凝胶在室温下的平衡膨胀比（n=3）。（d）通过SEM-EDS测量的元素组成，以质量比表示。（e） SEM下AEP、AEPP和AEPPZ水凝胶的横截面形态。（f） 示意图，展示利用多阳离子水凝胶作为细胞内水凝胶制备细胞内凝胶（GMs、P-GMs和PZ-GMs）的过程。（g）暴露于水凝胶单体溶液后，MA总氮含量变化（n=3）。（h）用FITC和DiD染色的GM代表性荧光图像。（i，j）GMs、P-GMs和PZ-GMs在SEM （i）和TEM （j）条件下的形态学，MA为对照。（k，l）磷（k）和锌（l）在37°C生理盐水中释放转基因、P转基因和PZ-GMs的谱（n = 3）。（m）MAs和PZ-GMs的总膜蛋白含量（n = 3）。（n）典型膜蛋白的Western blot分析。每个蛋白的所有通道均连续且源自同一墨迹;不同蛋白的图像从平行处理的样本拼接而成，以便直接比较。（o）膜蛋白迁移率的免疫荧光评估。（p）通过FRAP测定测量PZ-GMs的膜脂质迁移率。数据表示为均值 ± 标准差，p < 0.05，p < 0.0001，ns = 无显著性。

图3

体外评估PZ-GMs的中和根除能力。（a，b） 代表性SEM图像显示GMs、P-GMs和PZ-GMs对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的中和效果。（c，d） 通过病原体中和分析法中板计数定量的上清腔中残留大肠杆菌（c）和金黄色葡萄球菌（d）。（e，f）对病原体中和测定（n=3）中大肠杆菌和金黄色葡萄球菌板计数结果的统计分析。（g，h）转基因、P-GMs和PZ-GMs对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的中和效率（n = 3）。（i） 通过细菌根除分析法中板计数定量的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌残留物。（j，k）PZ-GMs对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌活性（n = 3）。（注）ELISA检测到上清液中残留的促炎细胞因子（TNF-α、IL-6）和细菌毒素（LPS）（n = 3）。（o）MAs的DAPI和CD86免疫荧光染色。数据表示为均值 ± 标准差，p < 0.05，p < 0.01，p < 0.0001，ns = 无显著性。

图4

体外模型用于原位矿化和骨生成诱导。（a） 在SBF浸泡1天、3天和6天后AEP、AEPP和AEPPZ水凝胶的矿化状态。（b） 6天矿化水凝胶表面的SEM图像。（c） TEM图像、SAED图案及6天矿化水凝胶表面沉积物的元素定位。（d，e）6天矿化水凝胶的整体Ca/P原子比，通过SEM-EDS测量（n = 3）。（f） ALP和ARS染色的代表性图像。（g，h）ALP和ARS染色的定量评估（n = 3）。（i–k）Col1、Runx2和Opn的mRNA表达（n = 3）。数据表示为均值 ±SD、p < 0.05、p < 0.01、p < 0.001、p < 0.0001、ns = 无显著性。

图5

载体水凝胶（GD）的合成与表征。（a） Gelma和ODex中GD水凝胶形成的示意图。（b）单体混合时通过希夫碱键形成水凝胶的光学图像，随后通过自由基聚合形成第二网络。（c） 在37°C混合ODex和Gelma后储存模量（G′）和损失模量（G′′）的演变。（d，e） 流变学（d）和光学（e）图像，显示GD水凝胶在室温下的可注入性。（f）显示GD水凝胶自愈行为的光学图像。（g）通过自由基聚合形成第二网络后，GD的横断面SEM形态。（h） 低pH炎症环境下PZ-GMs从GD@PZ-GMs响应性释放的示意图。（i） 在37°C下浸入PBS（pH=7.4， 5.4， 4.0）10天后，GD@PZ-GMs的横断面SEM形态。（j，k）在不同pH条件下（j）及相应的PZ-GMs随时间GD@PZ的重量下降会释放（k）（n=3）。数据以标准差±手段表示。

图6

该治疗在牙周炎动物模型中的治疗效果。（a） C57小鼠牙周炎建模与治疗过程示意图。（b）显微CT影像显示治疗2周后上颌磨牙区域的牙槽骨状态，包括颊侧和舌侧视图的3D重建图像、矢状面2D图像以及第二磨牙的冠状2D图像。（c–e）CEJ-ABC距离、BV/TV和BMD的定量分析（n=6）。（f，g）H&E和Masson染色了第一和第二磨牙之间齿槽骨的图像。（h） 通过TRAP染色检查的破骨细胞数量（黑色箭头表示）。（i） 典型促炎因子（IL-6和TNF-α）的免疫组化染色。数据表示为均值±标准差，p < 0.05，p < 0.0001，ns = 无显著性。

总结

传统牙周炎治疗缺乏兼具毒素中和、灭菌与骨促进的一体化材料。该研究利用巨噬细胞本身识别并中和病原刺激的特性，在活巨噬细胞胞内原位聚合阳离子水凝胶并加载植酸/Zn²⁺，于室温下制得胶化巨噬细胞（PZ-GMs）。这一策略保留完整细胞膜的免疫中和功能，又通过胞内水凝胶赋予高效杀菌（>99.99%）、清除毒素和炎症因子、介导原位矿化与骨诱导等生物活性。整体思路是将活细胞天然防御与合成水凝胶功能无缝整合，实现协同中和、根除病原与骨修复。

PZ-GMs还可嵌入酸敏感水凝胶中，实现对牙周炎症酸性环境的精准响应递送。在小鼠牙周炎模型中，该材料通过双重机制促进牙周再生：一方面清除病原菌和毒素、消除炎症因子，改善病理微环境；另一方面促进骨质微环境重塑，诱导骨再生。同时，口腔微生物组稳态也得以恢复。这显示出基于活细胞胞内功能化的材料能同步调节免疫防御、成骨与微生态平衡，为牙周炎提供“中和‑根除‑骨促进”的整体治疗范式，并可拓展至其他感染性骨缺损。

参考文献：

DOI:10.1002/adma.202519288