可注射活性水凝胶作为工程生物疗法促进拔牙创愈合与牙槽骨再生

《Bioactive Materials》：Injectable living hydrogel as engineered biotherapeutic to promote tooth-extraction wound healing and alveolar bone regeneration

本研究针对拔牙后创面愈合与骨再生临床难题，开发了一种集成鼠李糖乳杆菌GG（LGG）和磷酸钙纳米颗粒（CP NPs）的光聚合聚乙二醇（PEG）基可注射活性生物治疗水凝胶。该水凝胶经蓝光原位固化后形成保护性支架，LGG通过抗菌/免疫调节功能重塑微环境，同时促进CP NPs释放钙磷离子，协同微生物辅助生物矿化增强成骨分化。体内外实验证实该平台可整合感染控制、免疫调节与骨诱导功能，为动态组织工程提供了新型活体材料范式。

　　

牙齿缺失是口腔临床常见问题，而成功的种植修复高度依赖于充足的牙槽骨量。拔牙后牙槽窝的愈合是一个涉及血凝块稳定、炎症调控、肉芽组织形成和骨再生重塑的多阶段复杂过程，在温暖潮湿、微生物富集的口腔环境中极易受细菌感染干扰。传统单一功能材料难以协调感染控制、免疫调节与骨再生的动态需求，这促使研究人员开发能够模拟自然愈合过程的多功能治疗策略。

在此背景下，武汉大学口腔医学院研究团队于《Bioactive Materials》发表研究，构建了一种集成临床验证益生菌鼠李糖乳杆菌GG（Lactobacillus rhamnosus GG, LGG）和磷酸钙纳米颗粒（calcium phosphate nanoparticles, CP NPs）的光响应型聚乙二醇（poly(ethylene glycol), PEG）基可注射活性水凝胶。该系统通过牙科蓝光原位固化形成适配牙槽窝解剖形态的防护支架，LGG发挥抗菌和免疫调节功能早期促进创面愈合，同时通过微生物辅助生物矿化协同CP NPs增强成骨分化，实现拔牙创微环境的多维度调控。

研究采用四大关键技术方法：一是通过四臂聚乙二醇二丙烯酸酯（4-arm PEG-DA）与光引发剂LAP构建光聚合水凝胶基质；二是利用双管注射器实现LGG与CP NPs的原位混合注射及蓝光固化；三是通过Transwell共培养、扫描电镜（SEM）和转录组测序（RNA-seq）评估抗菌、矿化及免疫调节功能；四是建立大鼠拔牙模型进行体内疗效验证，采用显微CT（micro-CT）和免疫荧光染色分析骨再生效果。

2.1 活性生物治疗水凝胶的合成与表征

研究人员将LGG和CP NPs整合至光聚合PEG基质中，通过牙科蓝光30秒固化形成适配牙槽窝形态的乳白色水凝胶。激光共聚焦显微镜显示LGG在磷酸盐缓冲液（PBS）、唾液和MRS培养基中均保持活性与均匀分布。扫描电镜证实水凝胶具有10-20微米的多孔结构，流变学测试表明其具备适宜注射的流变特性和快速光固化能力，压缩模量约40千帕，表明该平台具有临床可翻译的机械性能。

2.2 活性生物治疗水凝胶的抗病原菌效力

在与金黄色葡萄球菌（S. aureus）、大肠杆菌（E. coli）和粪肠球菌（E. faecalis）的共培养实验中，LGG负载水凝胶（LGG@Gel）可完全抑制病原菌生长，CP-LGG@Gel组也显着降低菌落数。琼脂扩散实验显示LGG组形成明显抑菌圈，而CP NPs的加入通过表面矿化缓冲局部酸性，体现了从早期抗菌到后期生物矿化的功能时序转换。

2.3 益生菌LGG促进生物矿化

透射电镜显示LGG表面蛋白可作为钙磷晶体的成核位点，孵育7天后表面负电性降低证实矿物沉积。LGG代谢产生的乳酸促进CP NPs释放钙（Ca²⁺）和磷酸根（HPO₄^2?）离子，在细菌表面功能基团（如COO^?和PO₄^3?）引导下形成矿化层。SEM观察到水凝胶内LGG表面覆盖矿物沉积，表明其兼具生物治疗剂和生物矿化模板的双重功能。

2.4 活性生物治疗水凝胶诱导的巨噬细胞活化

通过Transwell与RAW264.7巨噬细胞共培养发现，CP-LGG@Gel处理24小时同时上调M1标志物（CD86、TNF-α、iNOS）和M2标志物IL-10，48小时后M2表型（CD206、IL-10、Arg-1）显着主导。流式细胞术和免疫荧光证实CD206⁺细胞比例增加，RNA-seq分析显示差异基因富集于细胞因子-受体相互作用和TNF信号通路，表明LGG通过时序性免疫调节促进炎症向修复阶段转化。

2.5 生物治疗水凝胶的生物相容性与骨诱导性

大鼠骨髓间充质干细胞（BMSCs）与水凝胶浸提液共培养时，MTT法和细胞形态学显示良好生物相容性。碱性磷酸酶（ALP）染色和定量表明CP-LGG@Gel组ALP活性最高，茜素红S染色显示钙结节沉积增强。RT-PCR和Western blot检测到成骨基因（Bmp2、Runx2、Alpl、Col1a1等）及蛋白（BMP-2、Runx2、ALPL、OPN）表达上调，证实矿物离子与益生菌代谢的协同成骨作用。

2.6 活性生物治疗水凝胶在拔牙窝再生中的体内疗效

大鼠上颌第一磨牙拔除后，原位注射光固化水凝胶。第3天 hydrogel组显示上皮愈合加速，第7天CP-LGG@Gel组出现编织骨向心性生长。H&E和Masson染色第14天可见成熟骨小梁，微CT定量显示CP-LGG@Gel组骨体积分数（BV/TV）、骨小梁厚度（Tb. Th）最高。免疫荧光证实CD206⁺巨噬细胞浸润及Runx2、骨钙素（OCN）阳性区域扩大，表明免疫调节与成骨活性协同增强。

该研究通过耦合活性益生菌与无机生物活性组分，构建了兼具抗菌、免疫调节与成骨功能的智能化水凝胶平台。LGG的动态生物活性与CP NPs的矿物释放特性相协同，实现了拔牙创愈合过程中感染控制、炎症消退和骨再生的时序性调控。尤其值得注意的是，LGG表面介导的生物矿化作用为其赋予了从代谢活性体向结构性模板转化的独特功能，为活体材料的设计提供了新范式。这种基于临床验证益生菌的工程策略，不仅为口腔骨缺损修复提供了临床可操作的解决方案，其“材料活化”的设计理念对动态组织工程领域具有广泛启示意义。