针对上述问题，西南交通大学谢超鸣团队利用多酚（多巴胺）介导构建超声响应型 Fe/Zn 双金属卟啉 MOF 纳米颗粒（Fe-TCPP-DA-Zn），将其包载于氧化葡聚糖-多巴胺-壳聚糖-明胶水凝胶，制成“人工纳米益生菌”。该体系可在超声激活下高效杀灭耐药菌、清除 ROS，重塑口腔菌群平衡，抑制全身及脑内炎症，最终在大鼠糖尿病牙周炎模型中同步实现软硬组织再生与认知功能改善。该文章于2025年8月30日以《Ultrasound-Activated Nanoprobiotic Hydrogel Disrupts the Oral-Brain Axis to Alleviate Diabetic Periodontitis and Cognitive Decline》为题发表于《Advanced Functional Materials》（DOI：10.1002/adfm.202511408)。

（1）材料设计

Fe-TCPP-DA-Zn 纳米颗粒经多巴胺表面螯合 Zn²⁺形成双金属 MOF，带隙收窄，超声抗菌效率提升；酚羟基赋予其抗氧化与亲水性，可均匀分散于氧化葡聚糖-多巴胺-壳聚糖-明胶水凝胶（ODG），通过席夫碱和氢键交联（图 1a–b-i）。该凝胶在口腔环境下表现出湿态黏附与机械强度（图 1b-ii），局部注射后滞留牙周袋，持续释放 Zn²⁺抑制破骨并促成骨，DA 清除 ROS 并调节免疫。Fe-TCPP-DA-Zn 超声灭菌同时保护共生菌，维持菌群稳态（图 1c）。在糖尿病牙周炎大鼠模型中，Fe-TCPP-DA-Zn/ODG 凝胶重建牙周软硬组织，降低全身及海马炎症，改善认知障碍（图 1d）。

图1 Fe-TCPP-DA-Zn/ODG水凝胶的制备与应用表征。（a）水凝胶合成流程示意图；（b）实际应用情景：i）Fe-TCPP-DA-Zn/ODG互穿网络形成，ii）多酚水凝胶与软硬组织间强黏附；（c）治疗机制：DA清除ROS并调节局部免疫，Zn²⁺促骨再生，超声灭菌重塑龈下菌群并缓解脑炎症；（d）水凝胶经菌群-口-脑轴改善牙周炎大鼠认知功能的示意图

（2）人工纳米益生菌水凝胶的特性分析

Fe-TCPP粒径约为500纳米，经DA功能化后Fe-TCPP-DA粒径增大至约540纳米（图S1b），Fe-TCPP-DA-Zn呈纺锤形结构，直径约550纳米（图2a）。TEM元素分布图证实C、O、Fe和Zn的存在。Zeta电位分析、X射线光电子能谱（图S4）和傅里叶变换红外光谱进一步确认Fe-TCPP、Fe-TCPP-DA和Fe-TCPP-DA-Zn的成功制备；Fe²⁺/Fe³⁺与多酚的相互作用促进儿茶酚-醌转化。Fe-TCPP-DA-Zn在超声作用下将H₂O₂和O₂转化为·OH和¹O₂。电子自旋共振谱显示1:2:2:1的强度比，表明超声激活产生·OH（图2b）。亚甲基蓝在665 nm处的特征吸收峰在超声5分钟后下降，Fe-TCPP-DA-Zn MOF + US组·OH生成效率最高（图2c）。Fe-TCPP-DA-Zn在激活超声下产生¹O₂。

Fe-TCPP-DA-Zn在415–430 nm范围内出现Soret吸收带（图2d），其最大吸收峰较Fe-TCPP和Fe-TCPP-DA发生显著红移。通过Tauc曲线法计算其光学带隙为2.08 eV，窄于Fe-TCPP（2.25 eV）和Fe-TCPP-DA（2.20 eV）（图2e,f）。

纳米益生元辅助水凝胶（Fe-TCPP-DA-Zn/ODG水凝胶）成功合成并可用于牙周组织注射。DA-CS在280 nm处显示DA特征吸收峰。水凝胶具有溶胶-凝胶转变特性（图2g），可注入标有“SWJTU”的1 mL注射器（图2h）。流变分析显示其凝胶化时间约为14秒（图2i）。Fe-TCPP-DA-Zn/ODG水凝胶对肌肉和牙齿等多种基质具有优异粘附性（图2j），并可在湿润的猪皮表面实现强粘附（图2k），其粘附强度高于OCG水凝胶（图2l）。压缩测试表明该水凝胶可承受60%压缩形变（图2m）。在PBS中浸泡后其溶胀率较低（图2n），在胶原酶中浸泡21天后质量保持率为62.6%，降解速率低于其他组（图2o）。

图2 人工纳米益生菌及其水凝胶表征。（a）Fe-TCPP-DA-Zn的SEM形貌；（b）DMPO捕获·OH的ESR谱；（c）MB定量·OH生成；（d）Fe-TCPP、Fe-TCPP-DA、Fe-TCPP-DA-Zn的UV–vis吸收光谱；（e）对应Tauc带隙图；（f）超声触发ROS机制；（g）Fe-TCPP-DA-Zn/ODG凝胶照片；（h）可注射书写字迹示意；（i）溶胶-凝胶转变时间扫描曲线；（j）凝胶对肌肉及大鼠牙的黏附展示；（k）水下猪皮肤湿态黏附；（l）不同纳米浓度凝胶对猪皮的拉伸黏附强度；（m）含0–6 mg mL⁻¹ Fe-TCPP-DA-Zn水凝胶的压缩应力-应变曲线；（n）PBS中溶胀行为；（o）胶原酶降解21天质量剩余

（3）人工纳米益生菌水凝胶的声动力学抗菌活性、体外抗氧化及抗炎能力

Fe-TCPP-DA-Zn/ODG水凝胶在超声刺激（1.0 MHz，50%占空比，1.5 W cm⁻²）下对大肠杆菌、表皮葡萄球菌和牙龈卟啉单胞菌均具有抗菌作用，该作用与Zn²⁺释放及声动力过程产生的ROS有关。经DCFH-DA染色，超声激活的Fe-TCPP-DA-Zn/ODG水凝胶处理组在大肠杆菌内呈现绿色荧光，且荧光强度显著高于其他组别（图3a-i）。该水凝胶还具备抗氧化性能。DPPH自由基清除实验表明，ODG、Fe-TCPP-DA/ODG和Fe-TCPP-DA-Zn/ODG水凝胶的清除效率高于OCG水凝胶（图3b-i）。此外，Fe-TCPP-DA/ODG和Fe-TCPP-DA-Zn/ODG水凝胶能够下调LPS刺激的RAW264.7细胞中M1相关基因（IL-1β、iNOS、TNF-α）表达（图3b-ii），并上调M2相关基因（Arg1、CD206、CD163）表达（图3b-iii）。免疫荧光结果显示，Fe-TCPP-DA/ODG和Fe-TCPP-DA-Zn/ODG组iNOS水平低于OCG和ODG组，而CD163水平为各组最高（图3b-iv），相对荧光强度进一步证实Fe-TCPP-DA-Zn/ODG水凝胶可降低iNOS、提高CD163表达（图3b-v）。

图3 水凝胶超声抗菌与抗炎评价。（a）ROS生成及抗菌：i）DCFH-DA荧光示E. coli胞内ROS；ii–iv）对P. gingivalis、E. coli、S. epidermidis的杀菌率。（b）抗炎：i）DPPH清除率；ii）M1型IL-1β、iNOS、TNF-α mRNA相对表达；iii）M2型Arg1、CD206、CD163 mRNA相对表达；iv）iNOS/CD163免疫荧光共染；v）半定量统计（P<0.05，P<0.01，P<0.001）

（4）体内抗炎作用与牙周组织再生

Fe-TCPP-DA-Zn/ODG水凝胶可促进牙周硬组织再生。在糖尿病性牙周炎大鼠模型中，局部注射OCG、ODG、Fe-TCPP-DA/ODG和Fe-TCPP-DA-Zn/ODG水凝胶4周后，Micro-CT扫描显示牙周炎组存在明显骨丧失，而Fe-TCPP-DA-Zn/ODG水凝胶在抑制骨吸收方面优于其他组（图4a）。该水凝胶组的骨矿物质密度（BMD）高于其他组（图4b），骨体积/组织体积（BV/TV）较结扎组提高2.4倍（图4c），骨小梁分离度（Tb.Sp）显著降低（图4d）。水凝胶在体内表现出可降解性和生物相容性。

组织学分析显示，牙周炎组几乎无新骨形成，而Fe-TCPP-DA/ODG和Fe-TCPP-DA-Zn/ODG水凝胶可显著促进新骨生成（图4e）。CEJ-ABC距离分析表明，Fe-TCPP-DA-Zn/ODG水凝胶具有更高的牙周组织修复程度和更少的牙槽骨丧失（图4f）。TRAP染色显示，Fe-TCPP-DA-Zn/ODG水凝胶组的TRAP阳性破骨细胞数量显著少于其他水凝胶组（图4g,h）。免疫荧光与定量分析表明，Fe-TCPP-DA及Fe-TCPP-DA-Zn水凝胶可显著下调TNF-α蛋白表达（图4i,j）。

此外，Fe-TCPP-DA-Zn/ODG水凝胶有效促进牙龈组织生长。在牙龈缺损模型中（图4k-i,ii），注射该水凝胶后（图4k-iii），治疗组2周时牙龈生长高度达0.8 mm（对照组为0.25 mm）（图4k-iv），4周时牙龈高度增加1.9 mm（图4k-v,l）。

图4 糖尿病牙周炎大鼠牙周再生。（a）Micro-CT测牙槽骨丢失；（b）骨密度BMD；（c）骨体积分数BV/TV；（d）骨小梁分离度Tb.sp；（e）H&E切片及（f）CEJ-ABC距离量化；（g）TRAP染色示破骨细胞（红染，黑箭）及高倍三角标记；（h）TRAP阳性细胞计数；（i）TNF-α免疫荧光与（j）平均荧光强度；（k）软组织再生：i）基线龈黏膜，ii）翻瓣暴露骨面，iii）1周自发愈合/凝胶注射，iv）2周、v）4周龈愈合临床照；（l）龈缘高度统计（P<0.05，P<0.01，P<0.001）

（5）巨噬细胞及成纤维细胞异质性的调控

Fe-TCPP-DA-Zn/ODG水凝胶可影响牙周组织细胞组成。对严重牙周炎大鼠牙周组织进行单细胞RNA测序，在牙周炎组和水凝胶治疗组分别获得10666和10613个细胞用于转录组分析。UMAP降维后将细胞划分为11个亚型（图5a-i），各细胞亚型比例在两组间存在差异，其中水凝胶组成纤维细胞比例较牙周炎组显著下降（图5a-ii）。细胞分类依据经典表面标志基因表达（图5a-iii）。

进一步对成纤维细胞进行重聚类，识别出三个亚群（sC1–sC3，图5b-i）：sC1为促炎亚群，高表达Il33、Ccl11、Cxcl12；sC2为间充质成纤维细胞，表达Col1a1、Postn、Alpl等标志物；sC3为乳头状成纤维细胞，高表达Ptgds、Mmp2、Col18a1。水凝胶组中Col1a1+成纤维细胞（sC2）比例高于牙周炎组（图5b-ii）。

伪时间分析构建出具有两个终末分支的细胞轨迹（图5c-i），sC1位于轨迹起始端，随后分化为Col1a1+与Col18a1+两个终末亚群（图5c-ii）。识别出四个随时间变化的基因簇（图5c-iii），其中pC1包含组织修复相关基因（Itgb1、Tgfb1、Pdgfb），表达呈上升趋势；pC2包含成骨相关基因（Runx2、Bmp2、Col1a1），表达逐渐增加。

基因本体富集分析显示，sC2中成骨、伤口愈合和牙发育相关生物过程上调（图5d），而衰老相关过程下调（图5e）。

图5 水凝胶干预后牙周单细胞微环境重塑。（a）牙周免疫图谱：i）scRNA-seq UMAP示主要细胞群，ii）各组细胞比例变化，iii）关键标记基因表达水平（红色高表达）。（b）成纤维亚群：i）UMAP分簇，ii）各亚簇比例差异。（c）拟时序：i）成纤维分化轨迹，ii）亚簇在发育树分布，iii）分支差异基因热图（左标签）及代表基因（右缘）。（d）水凝胶组较牙周炎组sC2簇上调基因GO富集；（e）下调基因GO富集

（6）糖尿病牙周炎大鼠焦虑与认知调节

Fe-TCPP-DA-Zn/ODG水凝胶可缓解牙周炎诱发的情绪障碍和焦虑行为。在旷场试验中（图6a），牙周炎组大鼠活动轨迹受限，主要沿场边移动（图6a-iii）；而水凝胶组及水凝胶+US组在中央区域探索时间增加，后者活动模式接近正常大鼠（图6a-vi）。高架十字迷宫测试显示（图6b-i），水凝胶组开放臂进入次数较糖尿病组和牙周炎组增多（图6b-ii）；水凝胶+US组开放臂进入次数与正常大鼠相当，开放臂停留时间更长（图6b-iii），封闭臂进入次数最少（图6b-iv）。

该水凝胶联合超声刺激还可改善牙周炎引发的认知功能障碍。Y迷宫测试中（图6c-i），水凝胶+US组交替率高于50%，接近正常水平（图6c-ii）。新物体识别测试表明（图6d-i），水凝胶+US组的识别能力显著提升（图6d-ii）。

通过16S rDNA分析口腔微生物群发现，水凝胶联合US处理可有效调节菌群结构。α多样性指标在各组间无显著差异（图6e-i；图S26）。在属水平上，水凝胶+US组中牙周炎致病菌如卟啉单胞菌和梭杆菌相对丰度显著降低（图6e-iii, iv），而与健康相关的乳酸杆菌和链球菌则有所增加（图6e-v, vi），其菌群结构更接近正常组。

图6 水凝胶改善糖尿病牙周炎大鼠认知功能与菌群。（a）旷场：i–v组运动轨迹，vi中心停留时间；（b）高架十字迷宫：i示意图，ii进入开臂次数，iii开臂时间，iv闭臂次数；（c）Y迷宫：i示意图，ii交替百分比；（d）新物体识别：i实验流程，ii辨别指数；（e）口腔菌群：i观察OTUs α多样性，ii主坐标差异，iii–vi龈下Porphyromonas、Fusobacterium、Lactobacillus、Streptococcus相对丰度（P<0.05，P<0.01，P<0.001）

（7）口腔-脑轴调节及防神经退行性疾病

Fe-TCPP-DA-Zn/ODG水凝胶可减轻牙周炎引发的全身及脑内炎症。酶联免疫吸附测定显示，糖尿病牙周炎大鼠血液中促炎细胞因子TNF-α（图7a-i）、IL-1β（图7a-ii）和IL-6（图7a-iii）水平升高，经水凝胶及水凝胶+US处理后，这些因子浓度下降。

在海马区，Iba1与GFAP免疫荧光染色用于评估小胶质细胞和星形胶质细胞活性。牙周炎组在齿状回（DG）（图7b-i, iii）和CA1区（图7c-i, iii）均呈现小胶质细胞与星形胶质细胞活化增强；水凝胶+US组的标记强度与正常组相近。

使用MAP2标记成熟神经元显示，牙周炎组DG（图7b-ii, iv）和CA1区（图7c-ii, iv）的MAP2荧光强度较正常组显著减弱，神经元结构紊乱且数量减少；经水凝胶单独或联合US处理后，MAP2荧光强度增强，神经元连续性改善。

图7 水凝胶对糖尿病牙周炎大鼠脑组织的影响。（a）外周炎症水平：i）TNF-α、ii）IL-1β、iii）IL-6血清浓度；（b）DG区与（c）CA1区GFAP、Iba1、MAP2免疫荧光染色（P<0.05，P<0.01，P<0.001）