北大团队研发刷毛弯曲发电牙刷，可主动杀灭口腔细菌

你今天早上用的牙刷，唐朝人也在用。这东西是中国人发明的，到今天 1118 年。1118 年里，刷毛从兽毛换成尼龙，手柄从骨头换成塑料，但刷牙这件事，靠的始终是摩擦。世界卫生组织 2025 年的数据显示，全球约 37 亿人受到口腔疾病影响。

早在 1994 年，Marsh 便提出经典的「生态菌斑假说」，指出龋病和牙周病并非简单由单一致病菌引起，而是口腔微环境变化导致菌群生态失衡的结果。1999 年，Costerton 等在 Science 进一步揭示，细菌能够借助胞外聚合物去构建具有保护作用的生物膜，从而增强对外界干预的耐受性。机械摩擦虽然是能够清除部分菌斑，却难以持续抑制残留细菌的增殖与再定植。近年来，北京大学口腔医学院邓旭亮、张学慧团队持续探索生物电材料的抗菌潜力，先后开展了表面电荷调控抗菌与组织修复（Adv Funct Mater, 2024）、压电纳米纤维促进感染创面再生（ACS Nano, 2026）等研究。

2026 年 11 月 4 日，北京大学口腔医学院邓旭亮、张学慧团队在 Science Advances 发表了题为 Self-charged toothbrush facilitates tooth healthcare maintenance 的论文，报道了一种无需外部电源的「自充电牙刷」。它利用聚偏氟乙烯（PVDF）刷毛的表面电位去抑制细菌黏附，并将刷牙过程中的机械形变转化为压电催化效应，通过产生活性氧（ROS）损伤致病菌。

图 1 文章来源：Science Advances

一、从机械清洁到「主动抗菌」：刷牙产生的微弱电信号，能否成为抑制口腔致病菌的新武器？

传统牙刷依靠刷毛与牙面的摩擦清除菌斑，但牙菌斑并非松散堆积的细菌，而是具有保护性基质的复杂生物膜。即使去除了表层菌斑，残留的微生物仍可能迅速恢复。研究团队因此提出一个新的思路：能否让刷毛在机械清洁的同时，主动产生抗菌作用？

研究者采用具有铁电和压电特性的 PVDF 制备刷毛，使其在静止状态下通过表面残余电位抑制细菌黏附；当刷毛受到反复的弯曲时，压电极化状态改变，表面电荷参与氧化还原反应，进一步产生羟基自由基（·OH）、超氧自由基（·O₂⁻）等活性氧。原本只用于清洁的机械能，由此成为激活局部抗菌反应的能量来源。

为了验证这一设计，研究人员选取了与龋病相关的变异链球菌（S. mutans）及牙周炎相关的牙龈卟啉单胞菌（P. gingivalis），比较了 PVDF 与传统尼龙刷毛的抗菌效果。活/死菌荧光染色显示，0.24 mm PVDF 刷毛对两种细菌的抗菌效率分别达到 52.80% 和 78.21%，而尼龙刷毛仅为 9.29% 和 8.41%。进一步的 ROS 检测和扫描电镜观察发现，PVDF 处理后细菌内部氧化应激增强，细胞膜出现明显皱缩和结构损伤。

值得注意的是，在相同的机械扰动下，未极化 PVDF 的抗菌活性显著弱于极化 PVDF，说明材料的电学性质确实参与了这一过程。这项设计的关键，并非简单提高刷毛的清洁能力，而是利用刷牙动作本身触发局部电化学反应，使牙刷在机械去除菌斑之外，获得主动抑制致病菌的能力。

图 2 自充电牙刷通过表面电位和压电效应协同抑制口腔致病菌

二、从体外抗菌走向人体口腔：自充电牙刷能否打破「菌斑清除 — 细菌再定植」的循环？

体外实验能证明材料具有抗菌潜力，但真正决定牙刷应用价值的，还是它能否在复杂的口腔环境中发挥作用。毕竟，人的口腔中有唾液、食物残渣和大量共生微生物，细菌也会不断重新定植。

为此，研究团队开展了为期 3 个月的人体临床评价。研究共纳入 115 名志愿者，比较两种不同规格的 PVDF 牙刷（0.16 mm 和 0.24 mm）与两种传统尼龙牙刷（0.15 mm 和 0.20 mm）。所有参与者接受统一的刷牙指导，研究人员分别在基线、使用 1 个月和 3 个月时进行口腔检查，同时采集了牙菌斑样本，评估菌斑指数、牙龈指数及牙龈出血指数的变化。结果显示，两种 PVDF 牙刷均表现出更好的菌斑控制效果，牙龈炎症和出血指标也随使用时间延长而改善。

研究人员还利用了 16S rRNA 测序观察口腔菌群变化。结果发现，随着 PVDF 牙刷使用时间增加，变异链球菌、牙龈卟啉单胞菌等致病菌的相对丰度呈下降趋势，而传统尼龙牙刷组没有表现出同样明显的变化。这些结果提示，自充电牙刷的作用可能不止于刷牙时的即时清洁。通过持续限制致病菌黏附和定植，它有望逐渐改善菌斑相关的局部炎症环境。当然，3 个月的观察还不足以去证明其能够长期预防龋病或牙周炎，但至少提供了值得进一步验证的人体证据。

图 3 自充电牙刷在 3 个月临床研究中表现出菌斑控制和牙龈健康改善潜力

三、抗菌并非简单「杀死细菌」：压电刺激如何通过氧化应激与 ABC 转运系统干预口腔微生态？

如果自充电牙刷能够持续抑菌，那么另一个问题随之而来：这种作用是否会同时破坏维持口腔健康所需要的共生菌群？

事实上，健康的口腔并不是无菌环境，而是依赖复杂微生物群落维持相对稳定的生态平衡。真正理想的干预方式，应当在限制致病菌过度增殖的同时，尽可能保留正常菌群结构。研究团队通过宏基因组测序发现，使用 PVDF 牙刷后，变异链球菌、牙龈卟啉单胞菌等致病菌的相对丰度下降，而鼠李糖乳杆菌（LGG）、唾液链球菌等非致病菌的相对丰度有所增加，菌群 α 多样性也未出现显著下降。

为什么同样的材料对不同细菌会产生不同影响？进一步的功能富集分析将线索指向 ATP 结合盒转运系统（ABC transporters）。这类跨膜蛋白依赖 ATP 提供能量，参与营养物质摄取、离子运输及代谢调控，对细菌维持膜电位和适应环境压力十分重要。研究者利用 RT-qPCR 发现，PVDF 刷毛处理显著下调了变异链球菌和牙龈卟啉单胞菌中 ABC 转运相关基因的表达，膜电位检测也显示两种致病菌出现超极化现象。相比之下，所检测非致病菌的相关基因表达并未出现同样明显的变化。

不过，目前还不能据此认定材料已经实现了严格意义上的「选择性杀菌」。现有证据更多支持其对特定致病菌具有较强抑制作用，而 ABC 转运系统在细菌死亡过程中的直接因果作用，仍需要进一步研究。这项发现的重要性在于，它将压电抗菌的机制认识从表面的细菌膜损伤，推进到氧化应激、膜电位变化及跨膜运输功能之间的联系，为开发更精细的口腔微生态干预材料提供了新的研究方向。

图 4 自充电牙刷通过氧化损伤干扰口腔致病菌 ABC 转运系统

这项研究值得关注的地方，不只是开发了一把具有抗菌能力的牙刷，而是利用日常刷牙产生的机械刺激，触发了无需外部供电的局部电化学反应。从体外抗菌到人体菌斑控制，再到 ROS 与 ABC 转运系统的机制分析，研究为这一设计提供了较为完整的初步证据。

但距离广泛临床应用仍有不少问题需要解决。目前临床观察仅持续 3 个月，尚无法判断长期防龋、防牙周炎效果；对照主要采用普通尼龙牙刷，缺少与电动牙刷、声波牙刷等产品的直接比较。此外，体外长时间共培养难以完全模拟真实刷牙的间歇性刺激，ROS 在复杂口腔环境中的作用范围，以及长期使用对共生菌群和宿主组织的影响，也需要进一步评估。

随着压电生物材料与口腔微生态研究不断深入，牙刷或许不再只是简单的清洁工具，而能够成为响应日常行为的局部健康干预载体。这项研究更深层的启发在于：能否利用生活中最普通的机械动作，产生可控的生物医学效应，在不改变使用习惯的前提下，为疾病预防增加新的可能？

注：本文仅供文献解读，学术分享，不构成任何医疗建议！

参考文献（上下滑动查阅）

[1] Lu, Y., Song, J., Chi, X. et al. Self-charged toothbrush facilitates tooth healthcare maintenance. Sci. Adv. 12, eaeg5744 (2026).

[2] Marsh, P. D. Microbial ecology of dental plaque and its significance in health and disease. Adv. Dent. Res. 8, 263–271 (1994). doi:10.1177/08959374940080022001.

[3] Costerton, J. W., Stewart, P. S. & Greenberg, E. P. Bacterial biofilms: a common cause of persistent infections. Science 284, 1318–1322 (1999). doi:10.1126/science.284.5418.1318.

[4] World Health Organization. Oral health. WHO Fact Sheet (2025). who.int .

[5] Song, J., Lu, Y., Pan, T. et al. Manipulation of surface electrical charge on nanocomposite membranes confers wide spectrum bactericidal effects and promotes tissue regeneration. Adv. Funct. Mater. 34, 2314024 (2024). doi:10.1002/adfm.202314024.

[6] Fu, H., Wu, L., Cheng, J. et al. Piezoelectric nanofibers synchronize mitochondrial dynamics and immune responses for regeneration of infected wounds. ACS Nano 20, 2366–2386 (2026). doi:10.1021/acsnano.5c19373.