牙周炎是一种普遍的慢性炎症性疾病，由病原细菌引起，导致牙槽骨吸收和牙齿松动，严重影响患者的生活质量。其次，传统的牙周炎治疗方法，如牙周刮治和再生性牙周手术，存在效率不高和可能对患者造成较大创伤的问题。此外，由于口腔环境的高湿度和动态特性，抗生素等药物在牙周病变处的留存困难，进一步降低了治疗效果。现有的湿组织粘合剂和注射型粘合水凝胶在操作复杂性和可能引起组织炎症方面存在局限。许多粘合贴片在湿动态环境中粘附性下降，生物相容性和降解性差，限制了它们在口腔中的应用。最后，大多数治疗材料缺乏内在治疗能力，依赖外源性药物可能导致治疗成本增加和潜在的药物毒性。因此，开发一种高效、非侵入性、具有良好生物相容性和内在治疗能力的牙周炎治疗策略，可能是促进牙周组织的再生和修复的关键方向。

针对上述问题天津大学材料科学与工程学院刘文广教授设计了一种基于α-硫辛酸（LA）和改性明胶（GelMA）的聚合物弹性贴片，利用其在湿润环境中的粘附和软化特性，以实现更好的治疗效果。该贴片能够在接触水后迅速软化并增强粘附力，从而提高在口腔内的滞留时间和药物释放效果。该文章于2024年02月01日以《Wet environment-induced adhesion and softening of coenzyme-based polymer elastic patch for treating periodontitis》为题发表于《Bioactive Materials》（DOI：10.1016/j.bioactmat.2024.02.002）。

图1 a) PolyLA-GelMA贴片的制备工艺及结构特征示意图。b) PolyLA-GelMA贴片的湿响应粘附行为。c) PolyLA-GelMA贴片促进牙周炎愈合的机制说明

（1）PolyLA-GelMA贴片的制备与表征

图1a展示了PolyLA-GelMA贴片的制备过程和结构特征的示意图，说明了通过混合LA、GelMA和Tris（羟甲基）氨基甲烷的混合溶液，然后通过蒸发溶剂来制备贴片。图1b展示了PolyLA-GelMA贴片的湿响应粘附行为，表明贴片在干燥状态下不粘附，但在湿润环境下迅速变得柔软并粘附。图1c说明了PolyLA-GelMA贴片促进牙周炎愈合的机制，显示了贴片在牙周炎治疗中的作用，包括抑制牙槽骨吸收和调节炎症微环境。这些图示共同体现了PolyLA-GelMA贴片的设计原理、湿响应特性以及在牙周炎治疗中的潜在应用。

图2a展示了LA-GelMA溶液和PolyLA-GelMA贴片的紫外-可见吸收光谱。LA单体在330 nm的吸收峰在形成PolyLA-GelMA贴片后消失，表明LA发生了自发开环聚合。图2b的拉曼光谱显示PolyLA-GelMA中二硫键特征峰在510 cm−1处分裂，证实PolyLA的稳定性。图2c的ATR-IR光谱显示羧酸根的C=O峰红移，表明LA中的-COOH与GelMA中的-NH2形成强氢键。图2d的XRD显示PolyLA从有序纳米晶体结构转变为非晶结构，随GelMA含量增加逐渐消失。图2e显示PolyLA-GelMA贴片层间距增加，结晶度降低。图2f表明PolyLA-GelMA贴片的水中稳定性随GelMA含量增加而提高。图2g和2i显示，PolyLA-GelMA贴片的拉伸强度和延伸率随GelMA含量变化而先降后升。图2h显示含75% GelMA的PolyLA-GelMA贴片在拉伸测试中出现脆性断裂，说明可通过调节GelMA含量优化PolyLA-GelMA贴片的力学性能。

图2 a) LA-GelMA溶液和干燥Poly LA-GelMA贴片的紫外-可见吸收光谱；b) LA粉末和PolyLA-GelMA-25的拉曼光谱；c) LA、PolyLA-GelMA-25和GelMA的ATR-IR光谱；d) PolyLA和PolyLA- GelMA -x的XRD谱图；e) PolyLA和PolyLA- GelMA -5的XRD谱图；f) 37℃水浸不同时间PolyLA-GelMA贴片直径变化；g) PolyLA和PolyLA- GelMA -75的拉伸曲线和拉伸图像；h)不同GelMA含量的PolyLA-GelMA拉伸曲线；i)不同GelMA含量PolyLA-GelMA的拉伸应力

（2）PolyLA-GelMA贴片的湿响应行为

图3a显示PolyLA-GelMA-25贴片在90%相对湿度下获得湿响应粘附能力。图3b-d的水接触角测试显示，原始PolyLA因高度亲水性表现出最小接触角，GelMA含量增加使接触角显著增大，表明交联密度上升，水吸收减少。图3e的ATR-IR光谱表明，90% RH环境中放置后PolyLA-GelMA的羧基-OH峰强度增加，显示束缚水存在。图3f的XRD结果显示吸水后PolyLA-GelMA晶体相衍射峰消失，结构趋于非晶态。图3g的DMA曲线表明，PolyLA-GelMA在吸水后玻璃化转变温度从45.3°C降至27.3°C，链柔性增加便于粘附。图3h展示PolyLA-GelMA吸水后变软的状态。图3i-k的拉伸测试显示吸水后拉伸应力下降，伸长增加，证明其湿响应柔软特性，适用于提高口腔应用中的舒适度。

图3 a) PolyLA-GelMA-25的湿响应粘附行为；b)在90% RH环境下放置10分钟前后PolyLA-GelMA-25与玻璃的粘附图像；c， d)原始PolyLA和PolyLA- GelMA -x的水接触角；e)不同环境下PolyLA-GelMA-25的ATR-IR光谱；f)不同环境下PolyLA-GelMA-5的XRD谱图；g) Poly -GelMA -25在不同环境下的DMA曲线；h)不同环境下PolyLA-GelMA-25的宏观状态；i)不同条件下PolyLA-GelMA-25的拉伸曲线；j) PolyLA-GelMA-x在不同环境下的拉伸应力；k) PolyLA-GelMA-x在不同环境下的拉伸应变

（3）PolyLA-GelMA贴片的组织粘附行为

图4a、b展示了PolyLA-GelMA-25贴片对多种湿组织的粘附能力和粘附强度，包括口腔粘膜、猪皮肤、大肠、胃、小肠和心肌组织。图4c-e进一步展示了不同GelMA含量的PolyLA-GelMA贴片对猪皮的粘附强度和界面韧性，其中PolyLA-GelMA-25展现了最高的粘附强度和界面韧性。图4f和图4g、h显示了PolyLA-GelMA-25贴片对猪牙龈组织的粘附能力，通过搭接剪切测试表明PolyLA-GelMA-25对口腔粘膜的粘附强度最高，达到28.9 kPa。图4i展示了PolyLA-GelMA-25贴片能够在大鼠口腔的不同部位紧密粘附并承受拉伸运动。图4j比较了PolyLA-GelMA-25贴片与传统牙周炎药物（甲硝唑口腔粘附贴片MTZ和Perio盐酸米诺环素软膏PERIO）在口腔内的持久粘附能力，PolyLA-GelMA贴片能够在口腔粘膜上牢固粘附约24小时，而MTZ和PERIO在1小时内溶解。这些结果表明PolyLA-GelMA贴片具有优异的湿组织粘附性能，是一种有前景的牙周炎修复贴片。

图4 a、b) PolyLA-GelMA-25贴片对各种湿组织的粘附能力和粘附强度；c，d) PolyLA-GelMA-x贴片与猪皮的搭接剪切曲线(c)和粘附强度(d)；e) PolyLA-GelMA-x与猪皮的界面韧性；f) PolyLA-GelMA-25贴片在猛烈冲水条件下能与猪牙龈组织紧密粘附的照片；g，h) PolyLA-GelMA-x贴片与口腔黏膜的搭接剪切曲线(g)和粘附强度(h) ；i)照片显示PolyLA-GelMA-25贴片能紧密粘附在大鼠口腔的不同部位，并能承受拉伸运动；j) PolyLA-GelMA-25、MTZ和PERIO在口腔内的持久粘附能力

（4）PolyLA-GelMA贴片的生物相容性、抗氧化和抗菌活性

图5a显示PolyLA-GelMA-x贴片在人工唾液中7天内持续释放LA基单体，释放效率约为50%。图5b-d展示PolyLA-GelMA贴片对DPPH、·OH和ABTS自由基的清除效率，显示其出色的抗氧化活性。图5e表明PolyLA-GelMA贴片显著降低E. coli和S. aureus的存活率（低于20%）。图5f显示PolyLA-GelMA-x贴片抑制了琼脂平板上细菌集落的生长。图5g显示溶血率随GelMA含量增加而降低，表明其良好的血液相容性。图5h的活死染色结果显示PDLSCs均匀分布且存活，具良好细胞相容性。图5i表明10 μg/mL浓度的PolyLA-GelMA-x在1天和3天时显著促进PDLSCs增殖。图5j-k的ROS检测结果显示PolyLA-GelMA-25、50和75贴片使PDLSCs荧光强度分别降低85%、70%和51%，具有显著抗氧化效果。图5l的流式细胞仪分析表明PolyLA-GelMA-25、50和75贴片处理后ROS阳性率分别降至6.5%、12.5%和18.6%，其中PolyLA-GelMA-25抗氧化活性最佳。

图5 a) PolyLA-GelMA-x贴片在人工唾液中的单体释放量；b-d)PolyLA-GelMA-x对DPPH自由基(b)、羟基自由基(c)和ABTS自由基(d)的清除效率；e)与PolyLA-GelMA-x贴片共孵育12 h后大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的存活率；f)与PolyLA-GelMA-x共培养后，金黄色葡萄球菌和大肠杆菌在琼脂板上菌落生长的图像；g) PolyLA-GelMA-x贴片溶血率；h)与PolyLA-GelMA-x贴片共培养24h的PDLSCs的活/死染色；i)与PolyLA-GelMA-x贴片共培养1天和3天的PDLSCs细胞活力；j， k) PolyLA-GelMA-x贴片处理PDLSCs 24 h后DCFH-DA ROS检测实验的平均荧光强度（j）和荧光显微照片(k)；l)流式细胞术分析不同组FITC-A通道中DCFH-DA标记的细胞

（5）牙周炎大鼠模型的治疗作用

图6a展示了大鼠模型治疗4周后上颌骨的三维重建和二维图像，通过微计算机断层扫描（micro-CT）分析了牙槽骨吸收情况。与未治疗的对照（+）组相比，PolyLA-GelMA贴片组显示出最佳的抑制牙槽骨吸收效果。图6b、c和d分别定量分析了牙槽骨的CEJ-ABC距离、骨密度（BMD）和骨体积分数（BV/TV），结果显示PolyLA-GelMA组的BMD和BV/TV最高，表明PolyLA-GelMA贴片能有效减轻牙周炎模型中的牙槽骨吸收。图6e展示了不同治疗组牙周组织修复的H&E染色、Masson染色和TNF-α及IL-1β的免疫组化染色，PolyLA-GelMA贴片组和PERIO组在组织学上显示出良好的治疗效果，包括更厚的上皮细胞层、较少的炎症细胞浸润、更密集的弹性和胶原纤维组织以及更规则的排列。图6f定量分析了通过Masson染色得到的牙龈组织中胶原纤维面积的比例，PolyLA-GelMA贴片组显示出更高的胶原纤维密度。图6g和h定量分析了修复后的牙周组织中TNF-α和IL-1β抗体的表达水平，PolyLA-GelMA贴片组显示出与对照（-）组相近的低表达水平，表明PolyLA-GelMA贴片能有效减轻牙周炎症并促进牙槽骨修复。这些结果支持了PolyLA-GelMA-25贴片在牙周炎治疗中的巨大潜力，其治疗效果与市场上最常见的PERIO软膏相当。

图6  a) 治疗后第4周上颌牙槽骨的3D重建微CT和2D图像；b-d) 量化CEJ-ABC距离（b）、BMD（c）和BV/TV（d）；e) 在28天修复后对修复的牙周组织进行HE染色、Masson染色和TNF-α及IL-1β抗体的免疫组化染色；f) 通过Masson染色对不同组治疗后牙龈组织胶原纤维面积比进行量化；g， h) 分析修复后28天牙周组织中TNF-α（g）和IL-1β（h）抗体的表达水平

【研究小结】

该研究提出了一种基于α-硫辛酸（PolyLA）的共酶聚合物弹性贴片，通过与甲基丙烯酰化明胶（GelMA）结合，制备了一种湿环境响应型的贴片。这种贴片在水的作用下能够诱导粘附和软化，有效解决了传统生物材料在湿润口腔环境中粘附性差、停留时间短和药物抗性等问题。研究团队通过在PolyLA中引入GelMA，不仅增强了材料的湿稳定性，延长了其在水中的解离时间，还通过形成多重共价键和氢键交联，提高了贴片的粘附性和柔软性。在体外研究中，PolyLA-GelMA贴片展现出了令人满意的湿组织粘附性、抗菌性、血液相容性和活性氧（ROS）清除能力。在大鼠牙周炎模型中，该贴片能够抑制牙槽骨吸收，并加速牙周炎愈合过程，通过调节炎症微环境发挥治疗作用。这表明PolyLA-GelMA贴片在牙周炎治疗领域具有良好的应用前景。

该研究的创新之处在于开发了一种能够在湿润环境中响应并改善粘附性能的生物材料，这对于牙周炎等口腔疾病的治疗具有重要意义。传统的治疗方法往往因为药物在湿润环境中的保留时间短而效果有限，而本研究的贴片通过其湿响应特性，能够更好地粘附于牙周组织，持续释放生物活性分子，从而提高了治疗效果。此外，该贴片的生物相容性和生物可降解性也为其在临床应用中提供了安全性保障。未来，这种材料的进一步优化和临床试验可能会为牙周炎患者提供一种更为有效和舒适的治疗选择。同时，这种湿响应型材料的设计思路也可能为其他生物材料的开发提供新的方向，尤其是在需要在湿润环境中粘附和释放药物的场合。