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北京大學(xué)口腔醫(yī)院孫玉春教授、清華大學(xué)陳國(guó)強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)《Chem. Eng. J》：多孔抗菌PHA支架修復(fù)口腔軟組織缺損
2022-09-03  來(lái)源：高分子科技

  牙齦組織是口腔第一道保護(hù)屏障，有利于防止病原體和刺激物穿透組織屏障到達(dá)底層骨從而引起炎癥和骨吸收。角化齦或附著齦等軟組織修復(fù)再生對(duì)出現(xiàn)一系列病理狀況如牙齦退縮、感染、創(chuàng)傷、惡性腫瘤等的患者至關(guān)重要。膠原蛋白類材料是臨床上使用最廣泛的商業(yè)支架。然而，它們?cè)诖笠?guī)模使用過(guò)程中也出現(xiàn)了較多的并發(fā)癥，如感染、免疫原性炎癥及修復(fù)速度慢等。其次，口腔環(huán)境中的細(xì)菌失衡可能引起如牙齦炎、牙周炎、種植體周圍炎等疾病發(fā)生，尤其是在軟組織缺損或植入牙齦移植物后的情況下。因此，具有抗菌性能的支架將有效減少傷口感染的機(jī)會(huì)，并最終提高膜齦手術(shù)的成功率。為牙齦組織再生制備合適的具有抗菌性能的生物材料仍一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。


  近日，北京大學(xué)口腔醫(yī)院孫玉春教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/化工系陳國(guó)強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)在《Chemical Engineering Journal》上發(fā)表了題為“Porous polyhydroxyalkanoates (PHA) scaffolds with antibacterial property for oral soft tissue regeneration”的研究論文。該研究基于第四代聚羥基脂肪酸酯（PHA）材料—P34HB（3-羥基丁酸和4-羥基丁酸共聚物），開發(fā)了一種“聚酯-金屬氧化物”復(fù)合的多孔抗菌支架（PAP34HB），并將其應(yīng)用到口內(nèi)軟組織在健康和感染條件下的修復(fù)過(guò)程中，與目前臨床上廣泛使用的膠原蛋白膜相比，均顯示出較好的抗菌和修復(fù)效果（圖1）。

 



圖1. 基于P34HB的不對(duì)稱多孔抗菌支架的制備及應(yīng)用。


  在材料制備及表征方面，本研究使用簡(jiǎn)便但高效的“top-down”溶劑交換方法，開發(fā)了一種基于P34HB的具有不對(duì)稱多孔結(jié)構(gòu)：多孔海綿部分（主要）和低孔隙度致密層（圖2），并兼具適當(dāng)力學(xué)性能的抗菌支架（PAP34HB）。在一定濃度的氧化鋅納米顆粒（ZnO NPs）的作用下，PAP34HB支架對(duì)口內(nèi)常見細(xì)菌如牙齦卟啉單胞菌（Porphyromonas gingivalis）和變形鏈球菌（Streptococcus mutans）具有較好的抑制其生長(zhǎng)和繁殖的作用（圖3）。

 


圖2. 基于P34HB的具有不對(duì)稱多孔結(jié)構(gòu)支架微觀圖。


 

圖3. 基于P34HB的支架和商業(yè)膠原膜對(duì)牙齦卟啉單胞菌和變形鏈球菌的抗菌性能表征。


  隨后的細(xì)胞實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，在保持優(yōu)異的抗菌性能的基礎(chǔ)上，PAP34HB對(duì)人牙齦成纖維細(xì)胞（HGFs）和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）具有較好的生物相容性。尤其是在HGFs的體外細(xì)胞增殖研究中，與商業(yè)膠原蛋白膜相比，PAP34HB顯示出更好的生物相容性，這進(jìn)一步體現(xiàn)了PAP34HB的優(yōu)勢(shì)（圖4）。

 



圖4. 基于P34HB的支架和商業(yè)膠原膜對(duì)HGFs和BMSCs的生長(zhǎng)和增殖影響表征。


  最后，基于PAP34HB支架（P34HB/0.5%ZnO組）保持共培養(yǎng)細(xì)胞活力的同時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌活性，本研究設(shè)計(jì)了口內(nèi)非感染和感染性軟組織缺損模型評(píng)估該組PAP34HB支架在體內(nèi)口腔軟組織修復(fù)和再生的作用。在非感染性軟組織缺損模型中，術(shù)后7天觀察，空白對(duì)照組仍然可以觀察到腫脹和微紅的傷口，P34HB及PAP34HB組的傷口炎癥消退，邊緣明顯閉合，上皮靠攏，釘突顯著延長(zhǎng)，膠原纖維排列有序，表現(xiàn)出較好的修復(fù)和再生能力。而在兩組膠原膜的結(jié)締組織中仍發(fā)現(xiàn)大量炎癥細(xì)胞，表明有過(guò)度免疫反應(yīng)。在口內(nèi)感染性軟組織缺損模型中，術(shù)后7天觀察，空白對(duì)照組的水腫嚴(yán)重，傷口充滿組織碎片，組織結(jié)構(gòu)紊亂不清。PAP34HB組傷口缺損基本恢復(fù)，無(wú)軟組織凹陷，上皮化程度明顯更好，未見明顯炎癥反應(yīng)或瘢痕，顯示完整的牙齦上皮和排列有序的結(jié)締組織。相反，兩組商業(yè)膠原膜的傷口邊緣腫脹并變紅，傷口凹陷，存在結(jié)構(gòu)未完全修復(fù)的殘余傷口，同時(shí)可見大量炎性細(xì)胞聚集，缺乏完整的牙齦上皮，再生的膠原纖維也較為松散。以上結(jié)果表明，與臨床常用的膠原蛋白膜相比，PAP34HB支架顯示出顯著的牙齦修復(fù)效果（圖5）。

 


圖5. PAP34HB支架在感染口腔軟組織缺損模型中顯示出顯著的修復(fù)和抗菌抗炎能力。


  綜上所述，本研究成功構(gòu)建了一類基于PHA的具有合適仿生拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的口內(nèi)軟組織修復(fù)支架，具有促細(xì)胞增殖、抗菌、消炎能力，對(duì)感染性口腔軟組織缺損具有顯著的修復(fù)再生作用，表現(xiàn)出較大的潛在臨床應(yīng)用前景和價(jià)值，進(jìn)一步推動(dòng)了微生物聚合物尤其是PHA材料在口腔修復(fù)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用發(fā)展。


  北京大學(xué)口腔醫(yī)院博士生陳凡凡及清華大學(xué)生命學(xué)院博士生劉心怡為論文的共同第一作者，北京大學(xué)口腔醫(yī)院口腔醫(yī)學(xué)數(shù)字化研究中心副主任、中國(guó)醫(yī)療器械行業(yè)協(xié)會(huì)口腔專委會(huì)理事長(zhǎng)、口腔生物材料和數(shù)字診療裝備國(guó)家工程研究中心“口腔智能技術(shù)和裝備平臺(tái)”負(fù)責(zé)人孫玉春教授和清華大學(xué)生命學(xué)院/化工系陳國(guó)強(qiáng)教授、張旭博士為論文的共同通訊作者。北京大學(xué)口腔醫(yī)院葛兮源研究員、王勇教授及博士生趙梓帆參與該研究。該研究得到了首都科技（創(chuàng)新）領(lǐng)軍人才項(xiàng)目、科技部重大專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委、清華大學(xué)-北京大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心、清華-INDITEX持續(xù)發(fā)展基金的資助。


原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138899                                        https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722043789

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（責(zé)任編輯：xu）
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