人体口腔微生物群与镁植入物之间的相互作用

《Journal of Magnesium and Alloys》：Human oral microbiome interactions with magnesium implants

纯镁在口腔环境中的腐蚀行为及微生物相互作用研究。通过人体在位实验发现，唾液流和生物膜形成协同促进镁均匀腐蚀，抑制局部点蚀，腐蚀层富含生物矿化沉淀。尽管体外显示强抗菌性，但体内因唾液蛋白和胞外聚合物吸附导致抗菌效果减弱，菌群定植存在个体差异。

　　镁（Mg）基屏障膜因其良好的生物相容性、可调节的降解性能和骨传导活性，被认为是有前景的骨再生引导材料。这种材料在临床上的应用潜力巨大，可以拓展到多种牙科手术场景中，如垂直和水平牙槽嵴增宽、种植窝保存以及Schneiderian膜修复等。然而，Mg基植入物与人体口腔微生物群的相互作用机制仍不明确，这限制了其在实际应用中的效果评估。因此，本研究采用一种个性化的口腔设备，进行了一项人体内研究，以探讨纯镁与口腔微生物群之间的双向相互作用。

在实验中，研究人员观察到Mg与细菌之间的相互作用会导致形成空间异质性的腐蚀层，这些腐蚀层具有生物矿化沉淀物和有机基质的结合特征。同时，动态唾液流动和生物膜介导的扩散屏障协同作用，有助于实现均匀的电化学降解，从而抑制局部点蚀的发生。虽然纯镁在体外环境中展现出一定的抗菌效果，但在体内环境中，由于唾液对Mg基表面的离子结合以及生物膜成熟过程，其抑菌效果有所减弱。这表明，不同个体之间的微生物定植情况存在显著差异，且这种差异受到唾液流动和特定细菌种类的影响，如链球菌属（*Streptococcus* spp.）在早期生物膜形成中占据主导地位。

此外，研究还发现，尽管Mg基材料在体外能够有效抑制细菌生长，但其在体内环境中的抗菌能力并不显著。这主要是因为唾液中的缓冲系统能够中和Mg引起的pH升高，从而减弱了其对细菌的毒性作用。体外实验中，Mg的抗菌机制包括Mg离子的释放、pH值的提升、渗透压对细菌细胞的破坏以及Mg(OH)?和MgO纳米颗粒的形成。然而，这些机制在体内环境中的作用受到唾液蛋白和生物膜外基质的干扰，导致Mg的抗菌效果下降。这种现象强调了人体口腔环境的复杂性，以及个体间微生物群差异对材料性能的深远影响。

在微生物群落分析方面，研究揭示了Mg和钛（Ti）基材料表面的细菌组成存在显著差异。在不同受试者中，Mg表面的微生物群落表现出选择性过滤效应，而非简单的多样性抑制。例如，受试者一的Mg表面显示出较高的链球茵属丰度，而受试者三的Mg表面则显示出较低的代谢活性。这种差异表明，Mg对微生物的筛选作用与个体的口腔微生物基础组成密切相关。通过KEGG通路分析，研究人员进一步发现，Mg表面对微生物的代谢过程产生了广泛的抑制作用，特别是在翻译、复制与修复、核苷酸代谢等核心生物过程上。在更精细的分子水平上，Mg还影响了核糖体结构、嘌呤合成以及肽聚糖前体的生成，这些变化进一步削弱了生物膜的稳定性，影响了细菌的生存能力。

值得注意的是，尽管Mg在体外表现出较强的抗菌性能，但在体内环境中，其作用被显著削弱。这主要是由于唾液中的离子结合现象，以及生物膜对Mg表面的覆盖，使得Mg无法持续释放抗菌成分。此外，唾液中的酶和缓冲系统也对Mg的腐蚀过程产生调节作用，从而影响其抗菌效果。研究还发现，Mg表面的细菌定植模式在不同个体之间存在显著差异，这可能与唾液成分、微生物群结构及个体免疫反应等多种因素有关。因此，研究结果强调了个性化生物材料设计的重要性，以适应不同个体的口腔环境和微生物组成。

为了深入理解Mg与口腔微生物之间的相互作用，研究采用了多种分析方法，包括电化学测试、浸泡实验、细菌定植分析以及16S rRNA测序。这些方法共同揭示了Mg在体内环境中的降解行为及其对微生物群落的影响。电化学测试结果显示，Mg在口腔环境中表现出较高的腐蚀电位和较低的腐蚀电流密度，表明其形成了较为稳定的生物矿化层。相比之下，细菌定植会降低腐蚀电位，并增加腐蚀电流密度，说明微生物活动对Mg的降解过程具有促进作用。通过浸泡实验，研究人员进一步观察到Mg表面在与唾液接触后形成了较为均匀的腐蚀层，而在细菌存在的情况下，腐蚀层则表现出明显的异质性。

此外，研究还探讨了Mg与生物膜之间的相互作用对腐蚀模式的影响。生物膜通过其自身的结构和代谢活动，可能形成局部的pH梯度，从而影响Mg的腐蚀速率。同时，生物膜还能通过离子结合机制，减少Mg的溶解速度。这些发现表明，Mg的降解行为并非静态，而是受到口腔微环境的动态调控。因此，研究强调了在体内环境中评估Mg降解行为的重要性，以及传统静态浸泡实验的局限性。

总体而言，本研究揭示了Mg基材料在口腔环境中的复杂降解机制及其与微生物群的相互作用。这些发现不仅为Mg基植入物的合理设计提供了理论依据，还为未来的临床应用奠定了基础。研究结果表明，Mg在体内环境中的抗菌性能受到多种因素的限制，而其与微生物群的相互作用则显著影响材料的降解模式和生物活性。因此，未来的生物材料研究应更加关注个体化设计，以优化材料在不同口腔环境中的性能表现。此外，研究还指出，需要进一步探索Mg表面的改性方法，如开发pH响应型涂层或调控离子释放，以增强其抗菌能力并保持其可降解特性。同时，建立更加精准的个性化生物材料评估体系，将有助于提升Mg基材料在牙科临床中的应用效果。