针对上述问题，北京大学张学慧团队开发了具有核壳结构的磁电CoFe₂O₄-BiFeO₃纳米颗粒（CFO-BFO NPs），并研究其在磁场刺激下对牙周炎的治疗效果。通过体内外实验揭示了磁电耦合刺激能够通过上调巨噬细胞极化和组织再生相关的关键通路来重编程巨噬细胞。进一步研究发现，CFO-BFO NPs通过PI3K-Akt信号通路促进巨噬细胞从促炎的M1型向抗炎的M2型极化，从而增强PDLSCs的成骨分化。体内实验也观察到，CFO-BFO NPs能够促进巨噬细胞向M2型极化，营造免疫调节微环境，减轻牙周组织炎症，并加速牙龈卟啉单胞菌感染的牙周炎的骨再生。这些发现为磁电纳米颗粒在未来牙周炎治疗中的应用，尤其是复杂感染型牙周炎的治疗，提供了理论基础。该文章于2026年1月1日以《Magnetoelectric Coupling Stimulation Modulates Macrophage Reprogramming for Superior Infected Periodontal Tissue Regeneration》为题发表于《Advanced Materials》（DOI：10.1002/adma.202517222)。

示意图 磁电CFO-BFO纳米颗粒的制备与应用。（a）核壳结构的磁电CFO-BFO纳米颗粒的合成示意图；（b）在磁场刺激下，CFO-BFO纳米颗粒促进牙周膜干细胞成骨分化并展现抗菌活性；（c）通过PI3K-Akt信号通路调控巨噬细胞重编程以促进成骨分化；（d）体内实验表明，CFO-BFO纳米颗粒减轻牙周组织炎症并加速牙龈卟啉单胞菌感染的牙周炎骨再生。

（1）磁电CFO-BFO纳米粒子的表征

成功制备了核壳结构的CoFe₂O₄-BiFeO₃纳米粒子（图1a）。CFO-BFO NPs平均尺寸约为240纳米，呈现球形CFO核与均匀BFO壳层结构（图1b-f）。高分辨TEM显示BFO (110)晶面间距为0.276 nm，CFO (220)晶面间距为0.297 nm（图1g）。XRD图谱证实CoFe₂O₄的尖晶石结构与BiFeO₃的钙钛矿结构共存（图2a）。振动样品磁强计测试表明CFO及CFO-BFO NPs具有良好的磁响应性（图2c）。压电力显微镜测试证实了核壳结构的压电效应与极化可逆性（图2d,e）。电子顺磁共振光谱在磁场刺激下检测到CFO-BFO NPs产生•OH和•O₂−自由基，而单独磁场或单独纳米粒子组未见特征峰（图2f）。在不同磁场频率、强度及暴露时间下，CFO-BFO NPs均能催化罗丹明B降解，证实其磁电转导性能（图2g-i）。纳米粒子在细胞培养基中浸泡2个月后表面电位保持稳定，且在人工唾液中浸泡4周后粒径与磁电性能均未发生显著变化。

图1 核壳结构磁电CFO-BFO纳米颗粒的制备及应用。（a）CFO-BFO纳米颗粒的合成示意图；（b）磁场刺激下，CFO-BFO纳米颗粒促进牙周膜干细胞成骨分化并展现抗菌活性；（c）通过PI3K-Akt信号通路调控巨噬细胞从M1型向M2型极化，增强成骨分化；（d）体内实验观察到CFO-BFO纳米颗粒减轻牙周组织炎症并加速牙龈卟啉单胞菌感染的牙周炎骨再生。

图2 磁电CFO-BFO纳米颗粒的物理化学特性表征。（a）CFO-BFO纳米颗粒的XRD图谱；（b）CFO-BFO纳米颗粒的XPS图谱；（c）CFO和CFO-BFO纳米颗粒的磁滞回线图；（d）CFO-BFO纳米颗粒的压电响应振幅曲线；（e）CFO-BFO纳米颗粒的相位曲线；（f）在磁场刺激下，DMPO捕获的超氧阴离子（•O₂⁻）和羟基自由基（•OH）的EPR谱图；（g）在不同磁场频率下，CFO-BFO纳米颗粒催化的RhB降解行为；（h）不同磁场频率下，CFO-BFO纳米颗粒催化的RhB降解强度；（i）不同磁场频率下，CFO-BFO纳米颗粒催化的RhB降解时间间隔。

（2）磁电CFO-BFO纳米粒子对PDLSCs成骨分化的影响

流式细胞术证实PDLSCs特异性表达CD90和CD73，不表达CD34。细胞毒性测试表明，CFO-BFO NPs浓度不高于50 µg mL⁻¹时，细胞活性保持98%以上）。结合安全边际原则，选定30 µg mL⁻¹为工作浓度，并筛选确定1 kHz、1.5 mT、30 min为最佳磁场刺激参数。碱性磷酸酶染色与活性检测显示，CFO-BFO NPs联合磁场处理7天后，PDLSCs的ALP表达显著高于对照组（图3b, c）。实时定量PCR分析表明，该处理组中成骨相关基因RUNX2、OCN和OPN的mRNA表达水平在第7天显著上调（图3d-f）。培养14天后，茜素红染色与定量分析同样显示CFO-BFO NPs联合磁场处理组的钙结节形成明显增强（图3g, h），且RUNX2、OCN和OPN的mRNA表达维持高水平（图3i-k）。免疫荧光染色进一步证实，处理3天后，该组细胞中BMP-2和OCN的荧光强度显著升高（图3l-o）。

图3 磁电CFO-BFO纳米颗粒诱导牙周膜干细胞（PDLSCs）体外成骨分化。（a）磁场刺激下CFO-BFO纳米颗粒诱导PDLSCs成骨分化的示意图；（b）不同处理7天后PDLSCs的碱性磷酸酶（ALP）染色图像，左上角插图为低倍镜下各组ALP染色孔的图像；（c）ALP活性检测；（d）~（f）不同处理7天后PDLSCs中成骨分化相关基因RUNX2、OCN和OPN的mRNA表达水平；（g）不同处理14天后PDLSCs的矿化相关茜素红S（ARS）染色图像，左上角插图为低倍镜下各组ARS染色孔的图像；（h）ARS水平定量分析；（i）~（k）不同处理14天后PDLSCs中成骨分化相关基因RUNX2、OCN和OPN的mRNA表达水平；（l）不同处理3天后PDLSCs中BMP-2表达水平的免疫荧光（IF）染色图像及（m）荧光强度定量分析；（n）不同处理3天后PDLSCs中OCN表达水平的IF染色图像及（o）荧光强度定量分析。（p<0.05，p<0.01，p<0.001，****p<0.0001；ns表示无显著差异，方差齐性：双尾非配对t检验）。

（3）磁电CFO-BFO纳米粒子的抗菌活性

磁场存在时，30–200 µg mL⁻¹ CFO-BFO NPs 对牙龈卟啉单胞菌抑菌率均≈75%，依生物相容性结果锁定 30 µg mL⁻¹ 为实验浓度。该浓度联合磁场作用后，牙龈卟啉单胞菌菌落数下降（图 4a,b），活/死染色示存活率 2.1 %、灭菌率 88.6 %（图 4c,d），生物膜量同步降低（图 4e,f）；扫描电镜见胞膜破裂（图 4g），DCFH-DA 示胞内 ROS 显著升高（图 4h）。提高磁场频率或强度可同步增强 ROS 与抑菌效率，ROS 清除剂 NAC 完全阻断抑菌，铁螯合剂 DFO 无影响，提示芬顿反应贡献可忽略。对金黄色葡萄球菌，30 µg mL⁻¹ CFO-BFO NPs 在磁场下抑菌最优：菌落减少（图 4i,j），活菌比例下降（图 4k,l），生物膜抑制（图 4m,n），膜结构破坏（图 4o），胞内 ROS 升高（图 4p）。

图4 磁电CFO-BFO纳米颗粒的体外抗菌活性。（a）牙龈卟啉单胞菌经不同处理24小时后的代表性菌落图像及（b）数量统计；（c）牙龈卟啉单胞菌经不同处理24小时后的活死菌染色图像及（d）基于荧光强度的抗菌效率分析；（e）牙龈卟啉单胞菌经不同处理24小时后的生物膜形成图像（活死菌染色）及（f）基于荧光强度的抗菌效率分析；（g）牙龈卟啉单胞菌经不同处理24小时后的扫描电镜图像，橙色箭头表示受损细菌膜；（h）牙龈卟啉单胞菌中相对活性氧水平；（i）金黄色葡萄球菌经不同处理24小时后的代表性菌落图像及（j）数量统计；（k）金黄色葡萄球菌经不同处理24小时后的活死菌染色图像及（l）基于荧光强度的抗菌效率分析；（m）金黄色葡萄球菌经不同处理24小时后的生物膜形成图像（活死菌染色）及（n）基于荧光强度的抗菌效率分析；（o）金黄色葡萄球菌经不同处理24小时后的扫描电镜图像，橙色箭头表示受损细菌膜；（p）金黄色葡萄球菌中相对活性氧水平，通过微孔板读数器检测DCFH-DA的相对荧光水平。（p<0.01，p<0.001，***p<0.0001；ns表示无显著差异，方差齐性：双尾非配对t检验；异方差性：双尾非配对Welch t检验）。

（4）磁电CFO-BFO纳米粒子通过调控巨噬细胞重编程促进PDLSCs成骨分化

免疫荧光染色显示，与LPS刺激组相比，磁电CFO-BFO NPs处理显著抑制了巨噬细胞M1型标志物CD86的表达（图5a），同时上调了M2型标志物CD206的表达（图5b）。实时定量PCR分析进一步证实，该处理下调了促炎因子TNF-α和IL-6的mRNA表达（图5c, d），而上调了抗炎标志物CD206和IL-10的mRNA表达（图5e, f）。为验证巨噬细胞分泌因子对成骨分化的影响，将经不同处理的巨噬细胞条件培养基加入PDLSCs中培养（图5g）。免疫荧光染色显示，来自CFO-BFO+磁场处理组巨噬细胞的条件培养基，能显著促进PDLSCs中成骨标志物BMP-2的表达（图5h, i）。同样，该条件培养基也显著上调了PDLSCs中RUNX2和OCN的mRNA表达水平（图5j, k）。以上结果表明，磁电CFO-BFO NPs通过将巨噬细胞重编程为M2表型，进而增强PDLSCs的成骨分化能力。

图5 巨噬细胞重编程诱导牙周膜干细胞（PDLSCs）体外成骨分化。（a）不同处理24小时后，骨髓来源巨噬细胞（BMDMs）中CD86表达水平的免疫荧光（IF）染色图像；（b）不同处理24小时后，BMDMs中CD206表达水平的IF染色图像；（c）~（d）不同处理24小时后，BMDMs中M1型巨噬细胞相关基因Tnfα和Il6的mRNA表达水平；（e）~（f）不同处理24小时后，BMDMs中M2型巨噬细胞相关基因Cd206和Il10的mRNA表达水平；（g）利用BMDMs条件培养基诱导PDLSCs分化的示意图；（h）不同BMDMs条件培养基处理3天后，PDLSCs中BMP-2表达水平的IF染色图像；（i）BMP-2的荧光强度定量分析；（j）~（k）不同BMDMs条件培养基处理14天后，PDLSCs中成骨分化相关基因RUNX2和OCN的mRNA表达水平。（p<0.05，p<0.01，p<0.001，****p<0.0001；ns表示无显著差异，方差齐性：双尾非配对t检验）。

（5）磁电CFO-BFO纳米粒子通过PI3K-Akt信号通路调控巨噬细胞重编程

RNA-seq 显示，LPS+CFO-BFO+磁场组较 LPS 组上调 288 个基因、下调 293 个基因（图 6b）。差异表达谱中，Fcgr4、Il16、Nod2、C3 等炎症基因下调，Fst、Atf3、Dusp4 等修复基因上调（图 6c）。GO 富集将上调基因聚至“细胞内钙离子稳态”“钙依赖性蛋白结合”等钙通道与修复相关条目（图 6d）；KEGG 显示 TGF-β 与 PI3K-Akt 通路显著激活（图 6e）。Western blot 证实 p-Akt 蛋白水平升高（图 6f），钙荧光探针记录到胞内 Ca²⁺内流增加（图 6g）。加入 PI3K-Akt 抑制剂 LY294002 后，上述调控被逆转：TNF-α、IL-6 mRNA 回升（图 6i,j），CD206、IL-10 mRNA 下降（图 6k,l）；该组巨噬细胞条件培养基使 PDLSCs 的 RUNX2、OCN mRNA 显著下调（图 6m,n）。

图6 磁电CFO-BFO纳米颗粒通过PI3K-Akt信号通路调控巨噬细胞重编程。（a）磁场刺激下CFO-BFO纳米颗粒诱导巨噬细胞重编程的示意图；（b）差异表达基因（DEGs）的火山图（红色：上调基因，绿色：下调基因；筛选标准：|log₂fold change|>0.585且p值<0.05）；（c）参与炎症的典型DEGs的热图分析（红色：上调基因，绿色：下调基因）；（d）LPS+CFO-BFO+磁场处理组与LPS组BMDMs中上调DEGs的GO分析；（e）LPS+CFO-BFO+磁场处理组与LPS组BMDMs中上调DEGs的KEGG通路富集分析；（f）不同处理24小时后BMDMs中Akt和p-Akt表达水平的Western blot分析；（g）使用Fluo-4探针检测的细胞内Ca²⁺分布的代表性图像；（h）利用经CFO-BFO+磁场刺激处理并添加PI3K-Akt信号通路抑制剂LY294002的BMDMs条件培养基诱导PDLSCs分化的示意图；（i）~（j）不同处理24小时后BMDMs中M1型巨噬细胞相关基因Tnfα和Il6的mRNA表达水平；（k）~（l）不同处理24小时后BMDMs中M2型巨噬细胞相关基因Cd206和Il10的mRNA表达水平；（m）~（n）不同BMDMs条件培养基处理14天后PDLSCs中成骨分化相关基因RUNX2和OCN的mRNA表达水平。（p<0.05，p<0.01，p<0.001；ns表示无显著差异，方差齐性：双尾非配对t检验）。

（6）磁电CFO-BFO纳米粒子促进感染性牙周炎骨再生的体内评价

Micro-CT 三维重建显示，第 4 周 CFO-BFO+磁场组牙槽骨缺损已接近正常水平，新生骨量高于牙周炎、单磁场及单纳米颗粒组（图 7c,e）；其 BV/TV 在各时间点均居首（图 7f），Tb.Th 增加、Tb.Sp 缩小（图 7g,h）。H&E 示炎症浸润、出血及附着丧失减轻，牙周韧带排列规整（图 7i-l）；Periostin 免疫荧光于 1 周即高表达，4 周达正常水平。FISH 显示，治疗后 1 周 CFO-BFO+磁场组牙龈内牙龈卟啉单胞菌信号极少（图 8a,b）。免疫组化示该组 1 周与 4 周骨缺损区 CD86⁺细胞最少（图 8c,d），CD206⁺细胞最多（图 8e,f），新生区 Collagen I 表达显著升高（图 8g,h）。

图7 磁电CFO-BFO纳米颗粒对小鼠牙周炎模型牙周骨再生的影响。（a）牙龈卟啉单胞菌诱导的小鼠牙周炎模型建立及CFO-BFO纳米颗粒在磁场刺激下体内治疗过程的示意图；（b）治疗后1周和（c）4周的上颌牙槽骨Micro-CT三维重建图像及二维矢状面图像（绿线：牙骨质牙釉质界；红线：牙槽骨嵴；黑线：CEJ-ABC距离；红箭头：牙槽骨嵴）；（d）基于Micro-CT数据的CEJ-ABC距离在治疗后1周和（e）4周的定量分析；（f）Micro-CT定量分析骨体积分数（BV/TV）、（g）骨小梁厚度（Tb.Th）和（h）骨小梁间距（Tb.Sp）；（i）治疗后1周和（j）4周的苏木精-伊红（H&E）染色图像（绿线：牙骨质牙釉质界；红线：牙槽骨嵴；黑线：CEJ-ABC距离；T：牙齿；AB：牙槽骨；PDL：牙周膜；EPI：上皮；蓝箭头：牙周软组织中的出血点）；（k）基于H&E染色数据的CEJ-ABC距离在治疗后1周和（l）4周的定量分析。（p<0.05，p<0.01，p<0.001，****p<0.0001；ns表示无显著差异，方差齐性：双尾非配对t检验；异方差性：双尾非配对Welch t检验）。

图8 磁电CFO-BFO纳米颗粒在体内的抗菌活性、免疫调节和骨再生效果。（a）治疗后1周第二磨牙周围牙龈卟啉单胞菌的FISH染色图像及（b）荧光强度均值分析；（c）治疗后1周和4周上颌牙槽骨缺损区M1型巨噬细胞相关CD86的IHC染色图像及（d）定量分析；（e）治疗后1周和4周上颌牙槽骨缺损区M2型巨噬细胞相关CD206的IHC染色图像及（f）定量分析；（g）治疗后1周和4周上颌牙槽骨缺损区胶原蛋白I（Col-I）的IHC染色图像及（h）定量分析。（p<0.01，p<0.001，***p<0.0001；ns表示无显著差异，方差齐性：双尾非配对t检验）。

（7）局部注射磁电CFO-BFO纳米粒子的全身生物安全性评估

主要器官H&E染色显示，与正常组相比，CFO-BFO NPs处理组未见明显病理异常（图9a）。电感耦合等离子体质谱分析表明，CFO-BFO+磁场处理组主要器官中的Fe、Co、Bi元素浓度与正常组一致，表明纳米粒子可被有效清除（图9b-d）。溶血实验证实CFO-BFO NPs具有良好的血液相容性，即使在150 µg mL⁻¹高浓度下溶血率仍低于5%（图9e）。凝血酶原时间测定显示，治疗4周后对凝血参数无显著影响（图9f）。血清学分析显示，注射后1周和4周，CFO-BFO+磁场处理组的补体激活产物C3a水平与正常组相当（图9g）。Elisa检测发现，该处理组小鼠血清中促炎细胞因子IL-1β水平显著降低，而抗炎细胞因子IL-10水平升高（图9h,i）。鲎试剂法检测证实CFO-BFO NPs的内毒素含量低于0.05 EU mL⁻¹（图9j）。以上结果综合表明，局部注射的磁电CFO-BFO纳米粒子具有良好的全身生物安全性。

图9 CFO-BFO纳米颗粒的系统生物安全性评估。（a）治疗4周后及随后1周洗脱期的小鼠牙周炎模型心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏的苏木精-伊红（H&E）染色图像；（b）~（d）通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）检测牙周炎小鼠心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏中铁（Fe）、钴（Co）和铋（Bi）的浓度；（e）CFO-BFO纳米颗粒溶血实验的代表性图像及定量分析；（f）治疗后4周牙周炎小鼠的凝血酶原时间实验；（g）治疗后1周和4周牙周炎小鼠血清中C3a的浓度；（h）~（i）治疗后3天和7天牙周炎小鼠血清中白细胞介素-1β（IL-1β）和白细胞介素-10（IL-10）的浓度；（j）不同浓度CFO-BFO纳米颗粒的内毒素检测。（*p<0.05，**p<0.01；ns表示无显著差异，方差齐性：双尾非配对t检验）。