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四川大學(xué)李建樹、秦萌團(tuán)隊(duì) Mater. Horiz.：可裸眼快速檢測(cè)口臭和牙周炎的結(jié)構(gòu)色水凝膠
2023-11-15  來(lái)源：高分子科技

  牙周炎是我國(guó)成年人失牙的第一大因素，患病率在40%以上。就全球范圍而言，重度牙周炎已成為全球第六大流行性疾病，影響了超過10%的成年人。牙周炎不但影響口腔健康，還與全身健康有關(guān)，例如患有重度牙周炎的育齡婦女容易發(fā)生早產(chǎn)。牙周炎主要由口腔致病菌（如牙齦卟啉單胞菌）引起，這些細(xì)菌在代謝過程中會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)性硫化物（VSCs，主要成分為硫化氫、甲硫醇等），使牙周炎患者有明顯的口臭癥狀，通常VSCs濃度與牙周炎嚴(yán)重程度正相關(guān)；口臭也因影響社交而成為人們?nèi)粘ｊP(guān)注和口腔科患者的主訴癥狀之一。通過監(jiān)測(cè)呼出氣體中VSCs的濃度可以診斷口臭嚴(yán)重程度，并實(shí)現(xiàn)對(duì)牙周炎相關(guān)致病菌的檢測(cè)和牙周炎的篩查。目前臨床上檢測(cè)呼出氣體中的VSCs主要依賴于例如Halimeter的檢測(cè)設(shè)備，價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜，無(wú)法作為日常檢測(cè)VSCs的技術(shù)手段。因此，發(fā)展一種低成本、高靈敏的VSCs即時(shí)檢測(cè)（point-of-care testing, POCT）技術(shù)能夠極大地便利患者進(jìn)行個(gè)人口腔健康狀況監(jiān)測(cè)和管理，對(duì)于牙周炎的臨床診斷也起到重要的輔助作用。


  四川大學(xué)李建樹教授、秦萌副研究員團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)色水凝膠生物傳感器用于口氣中VSCs的高靈敏可視化檢測(cè)。首先合成了親水性的含二硫鍵交聯(lián)劑N, N’-雙丙烯酰-L-胱氨酸（BISS），加入水凝膠預(yù)聚液中，引入光子晶體結(jié)構(gòu)，共聚制備了能夠響應(yīng)VSCs的結(jié)構(gòu)色水凝膠。VSCs具有還原性，可以切斷水凝膠網(wǎng)絡(luò)中的二硫鍵，使水凝膠的交聯(lián)密度降低，水凝膠吸水溶脹同時(shí)帶動(dòng)光子晶體的晶格間距增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)色水凝膠的光子禁帶紅移，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)VSCs的可視化傳感。該結(jié)構(gòu)色水凝膠可以實(shí)現(xiàn)0-1 ppm的VSCs的線性檢測(cè)，涵蓋了牙周炎患者呼出氣體中VSCs的濃度范圍，檢測(cè)限可達(dá)61ppb。該結(jié)構(gòu)色水凝膠還可以對(duì)牙周炎病原體，如牙齦卟啉單胞菌的增殖過程進(jìn)行實(shí)時(shí)和原位的可視化監(jiān)測(cè)，其結(jié)果與常用的比濁法一致。將結(jié)構(gòu)色水凝膠用于檢測(cè)口臭患者呼出VSCs的濃度，其檢測(cè)結(jié)果與臨床診斷一致。在此基礎(chǔ)上將不同顏色的結(jié)構(gòu)色水凝膠集成為傳感陣列，可以對(duì)患者口臭程度進(jìn)行分級(jí)，對(duì)其患牙周炎的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。該傳感器可以與手機(jī)聯(lián)用，通過分析樣品照片的顏色自動(dòng)給出檢測(cè)結(jié)果，與基于Halimeter口氣測(cè)量?jī)x的結(jié)果相比，準(zhǔn)確率可達(dá)95%，促進(jìn)了其在POCT方面的應(yīng)用。


圖1. 結(jié)構(gòu)色水凝膠響應(yīng)VSCs的原理示意圖。

圖2. 水凝膠被還原后形貌、化學(xué)組成以及機(jī)械性能的變化。 


圖3. 結(jié)構(gòu)色水凝膠隨氧化還原反應(yīng)的光子禁帶位移變化。 


圖4. 結(jié)構(gòu)色水凝膠對(duì)VSCs最主要組分硫化氫氣體的檢測(cè)。


圖5. 結(jié)構(gòu)色水凝膠用于牙齦卟啉單胞菌增殖過程的原位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。


圖6. 將結(jié)構(gòu)色水凝膠應(yīng)用于口臭患者的臨床呼氣樣本，實(shí)現(xiàn)對(duì)口臭患者患有牙周炎的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。


  論文以 “A Structural Color Hydrogel for Diagnosis of Halitosis and Screening of Periodontitis”為題發(fā)表在Materials Horizons上（DOI: 10.1039/D3MH01563G）。論文的第一作者為四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生胡傳舜。通訊作者為李建樹教授和秦萌副研究員。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。


  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh01563g

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