壳聚糖基水凝胶在牙周炎相关骨缺损再生中的研究进展与未来展望

《International Journal of Molecular Sciences》：Advances and Future Perspectives on Chitosan-Based Hydrogels for Bone Regeneration in Periodontitis-Associated Defects

　　

牙周炎引发的牙槽骨丧失是一种不可逆的病理损伤，在临床实践中仍难以再生。功能化修饰的壳聚糖（CS）水凝胶兼具良好的生物相容性、可调生物降解性、内在抗菌活性和免疫调节特性，使其成为修复炎症性骨缺损的有前景的支架。本综述总结了近五年来功能化CS水凝胶用于牙周炎相关牙槽骨再生的研究进展。研究人员将CS的四种主流修饰策略进行分类和比较：仿生结构设计、炎症免疫调节、刺激响应性控释和机械微环境适应。除水凝胶外，还讨论了多种形式的化学修饰CS（膜、大块支架、微/纳米颗粒和表面涂层）。此外，研究人员全面阐述了修饰CS水凝胶的核心再生机制，包括抗菌防御、免疫微环境重塑、成骨激活和血管生成-成骨偶联。与以往大多数涵盖CS生物材料的综述不同，本工作特别关注牙周炎相关炎症条件下骨再生的挑战，并纳入少量其他骨再生研究作为支持性参考文献。该综述审视了当前研究的关键局限性——特别是机械匹配、持续抗炎疗效和临床可转化性——并提出了涉及结构优化、多级级联调控和个性化临床转化的针对性研究方向。总体而言，本综述为开发面向牙周骨缺损再生的高性能CS基水凝胶提供了理论框架和实践设计策略。

1. 引言

牙周炎以持续微生物感染、免疫失调和进行性不可逆牙槽骨吸收为特征，最终导致牙齿松动和脱落。引导组织再生（GTR）虽有一定临床效果，但功能恢复仍受残余骨生物力学完整性受损及局部免疫炎症微环境持续失调两大障碍限制。因此，需要设计集抗炎与成骨活性于一体、适应牙周组织复杂机械微环境、调节局部免疫反应并促进血管化的多功能支架。壳聚糖（CS）作为一种天然阳离子多糖，具有良好生物相容性、可控降解性、内在抗菌性和易修饰性，其水凝胶可模拟细胞外微环境，调节免疫细胞极化和干细胞成骨分化，在牙周炎相关缺损修复中具有独特优势。现有综述存在明显不足：多数仅涉及通用骨组织工程，忽视牙周微环境中免疫-力学耦合；缺乏对不同修饰策略时空协同的系统分类与比较；也鲜有独立深入分析制约CS水凝胶临床转化的核心瓶颈。本综述聚焦牙周炎相关牙槽骨再生，系统总结CS水凝胶修饰策略，比较其优缺点与适用场景，并展望未来方向。

文献检索策略

本综述检索了PubMed、Google Scholar和Web of Science，检索词包括“骨再生”“炎症性牙周牙槽骨再生”“壳聚糖”“修饰壳聚糖”和“仿生支架”。通过标题和摘要初筛，排除不相关、重复和综述文章，以及会议摘要和实验数据不完整的文献。最终纳入的原始研究以CS为基础材料，聚焦其制备、修饰和表征，探讨CS材料在骨缺损修复中的治疗功效和再生机制，尤其是炎症性牙周微环境下的作用，以及临床转化前景。

2. 主流CS基水凝胶优化策略的分类与横向比较

合理设计CS基水凝胶需同时应对炎症微环境的多重挑战，包括机械载荷下的结构崩解、免疫应答失调、病理性细菌定植以及组织修复的时空协调受损。针对这些挑战，本文将牙周炎相关炎症性牙槽骨再生的生物材料分为四个功能维度：结构层面（材料架构模拟天然细胞外基质）、生物信号层面（材料与局部免疫及细胞环境通讯）、时间控制层面（治疗药物响应特定病理线索释放）和生物力学层面（材料适应和调节再生组织中的物理力）。需强调，四个维度互补而非互斥，例如一种3D打印支架若同时载入具有pH响应释放行为的抗炎纳米颗粒，即可同时实现结构设计、免疫调节和刺激响应递送。

2.1 CS基水凝胶的仿生结构优化

多孔结构和空间形态决定水凝胶支架的细胞浸润、营养转运和组织长入能力。未修饰的纯交联CS水凝胶通常形成致密网络，孔径小、孔隙率低，无法满足牙槽骨再生的空间需求。结构优化策略包括孔径调控、双网络构建、纳米复合改性和层状梯度仿生设计。互连大孔CS水凝胶可克服致密水凝胶的营养扩散限制，有利于牙周膜干细胞（PDLSCs）和骨髓间充质干细胞（BMSCs）的黏附与增殖。采用海泡石纳米管、木质纤维素纳米纤维和纳米羟基磷灰石（nHA）进行纳米修饰，可有效提高支架结构稳定性和骨诱导性。由CS、泊洛沙姆407（P407）和交联透明质酸构成的纳米多孔水凝胶可实现氧和小细胞外囊泡（sEVs）的时空控释，在牙周骨缺损模型中减少厌氧菌负荷并促进牙槽骨再生。在丝素蛋白（SF）/CS复合多孔支架中，随着CS比例增加，孔隙率降低、孔径均匀性变差，其中SF80/CS20支架具有最佳孔隙特征，利于细胞黏附并促进兔胫骨缺损修复。定向多孔CS/氧化软骨素水凝胶支架接种PDLSCs和牙龈间充质干细胞（GMSCs）后，可诱导牙周膜纤维有序排列和牙槽骨再生，在鼠模型中显示出牙周组织再生潜力。

2.2 免疫调节与抗炎功能优化

持续慢性炎症是牙周骨再生成功的主要障碍。CS水凝胶具有内在免疫调节能力，可调节巨噬细胞、树突状细胞（DCs）和T淋巴细胞。负载抗炎化合物（米诺环素盐酸盐、白藜芦醇、槲皮素、embelin）或生物活性金属离子（锶、铜）的CS可协同改善炎症微环境。多交联CS-P407-PNIPAM支架水凝胶在SD大鼠牙周炎模型中可显著抑制牙龈卟啉单胞菌（P. gingivalis），通过程序化释放槲皮素微乳和咖啡酸苯乙酯实现强效炎症调控并促进PDLSCs成骨分化。CS的阳离子特性可破坏牙周病原体（如P. gingivalis）的膜完整性，产生协同抗菌和抗炎效果。其他研究包括氧化淀粉/CS水凝胶负载氨苄西林钠实现29小时持续控释以减轻局部炎症；热敏CS/β-甘油磷酸钠水凝胶共载BMP-7和奥硝唑在犬牙周炎模型中发挥协同抗菌、抗炎和成骨作用。分期递送系统如早期释放阿司匹林（ASA）抑制COX-2活性和破骨细胞成熟，随后释放促红细胞生成素（EPO）增强血管生成和细胞增殖。此外，NF-κB抑制剂embelin、京尼平苷、甲硝唑、抗菌肽和岩藻多糖等也被整合入CS支架。CS衍生物如季铵化CS具有pH非依赖性电荷，其涂层可杀灭金黄色葡萄球菌（S. aureus）、大肠杆菌（E. coli）、P. gingivalis和具核梭杆菌（F. nucleatum），并抑制生物膜形成；但现有研究仅证实季铵化CS抑制牙槽骨吸收，尚未报告其促进再生的能力。相反，羧甲基壳聚糖（CMCS）和磺化CS等衍生物在大鼠牙周炎模型中均显示抗炎和成骨双重功效。当前免疫调节多为静态，缺乏对实时炎症微环境变化的动态响应，抗炎因子释放窗口较短，且不同炎症模型（结扎诱导、高脂饮食相关、手术缺损）的炎症负荷不均。

2.3 刺激响应性序贯释放系统优化

牙槽骨修复是序贯过程：早期以病原体清除和炎症消退为主，后期以成骨分化和骨矿化为主。传统水凝胶存在突释和释放动力学不匹配的问题，而刺激响应性CS水凝胶通过pH、温度、活性氧（ROS）响应双模式或多模式设计实现递送的时空控制。例如，聚多巴胺（PDA）修饰的羟丁基CS水凝胶负载近红外响应微球，快速释放ASA以抑制早期炎症，随后持续释放BMP-2支持后期成骨。热敏CS/β-甘油磷酸钠/明胶水凝胶在鼠结扎诱导牙周炎模型序贯递送ASA和EPO，通过定时释放改善疗效。双胍功能化可注射CS水凝胶实现VEGF和BMP-2的局部序贯递送，促进血管生成和牙髓干细胞成骨分化。在鼠牙周炎模型中，分层支架外层释放ASA重编程炎症微环境，内芯释放成骨生长肽（OGP）驱动牙槽骨再生。结构工程是调节释放曲线的重要策略：双交联CS/Pluronic F-127/三聚磷酸钠复合物在pH 7.4下释放BMP-9超过36天，在pH 6.0下超过25天。CS-芦荟支架携带sEVs、BMP-2和聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）微球包封的histatin-5，其体外成骨分化水平是纯CS支架的两倍。刺激响应序贯递送是协调炎症消退和骨再生的关键进展，但复杂且异质的牙周微环境可能削弱材料响应性并导致药物释放不稳定。多数系统仅支持两阶段释放，缺乏覆盖完整骨修复级联的多级调控。许多有效载荷为强效药物或生长因子，剂量常依据生物功效而非安全性选择，因此需要对其达到的浓度和释放速率进行安全性验证。

2.4 机械微环境自适应优化

牙槽骨在咀嚼过程中持续承受压、拉、剪切等机械刺激。纯CS水凝胶模量低、韧性差、降解快，在动态口腔力学条件下易发生结构坍塌。为克服这些缺陷，可采用聚合物共混（如羧甲基纤维素、海藻酸钠、丝素蛋白（SF））、共价或物理交联、掺入纳米生物活性陶瓷等多种策略，显著提高CS基水凝胶的压缩强度和结构稳定性，使其模量可调至匹配天然牙槽松质骨。力学性能呈剂量依赖行为：当掺入10-30 wt%羟基磷灰石（HA）时，支架刚度和机械强度随HA浓度增加显著提高；单宁酸（TA）交联的季铵化CS水凝胶弹性模量可调范围为110-1000 Pa，且随TA浓度增加网络更致密、压缩强度提高；碳纳米管/石墨烯纳米片增强的CS/聚乙烯醇/海藻酸钠网络压缩模量达0.16-2.2 MPa。酶交联的丝素蛋白/羧甲基壳聚糖（SF/CMCS）双网络水凝胶通过乙醇诱导β-折叠稳定化，压缩模量为828.8 kPa，储能模量（G′）为88 kPa，可达松质骨力学范围，56天内质量损失<9%，为成骨提供持续机械支持。短链CS制备的半互穿复合凝胶具有优异力学性能和生物相容性，包封ASA持续释放14天，促进PDLSCs增殖和成骨分化。机械自适应优化解决了传统CS支架的结构不稳定和机械不匹配，但过度交联和高浓度增强掺入会降低支架降解性，导致支架降解与新骨形成不同步，最终损害长期骨重塑。

3. 功能化CS基水凝胶的核心再生机制

功能化CS水凝胶作为活性免疫调节平台，通过调节牙周缺损内先天性和适应性免疫反应，实现精确免疫调控。它们动态调节抗原呈递细胞（APCs）功能，抑制病理性炎症同时不损害宿主防御，并促进组织修复。各类CS水凝胶体系已被证实可驱动巨噬细胞从促炎M1亚型向抗炎M2表型转换。研究显示，M1主导期与成骨抑制相关，而随后的M2转换与血管化和成骨一致，验证了免疫调节作为关键设计目标的重要性。

3.1 免疫微环境重塑机制

CS水凝胶通过动态调节抗原呈递细胞（APCs）功能，其中巨噬细胞和DCs是主要细胞靶点。CS/透明质酸（HA）、羧甲基壳聚糖（CMCS）/明胶和CS/β-甘油磷酸钠等多种体系可驱动巨噬细胞从促炎M1表型向抗炎M2表型转换。除巨噬细胞外，CS/聚季铵盐水凝胶在大鼠全层皮肤损伤模型中不仅促进M2极化，还触发促炎Th17细胞向免疫抑制性调节性T细胞（Tregs）转化。季铵化CS通过PI3K-Akt信号通路体外促进M2极化并减轻大鼠皮下感染模型炎症。CMCS和巯基化CS等pH响应衍生物在酸性炎症条件下具有可调阳离子密度和电荷转换行为，可实现免疫调节剂（如IL-4、IL-10）的动态吸附和时空控释。然而，大多数机制研究依赖简化的单细胞体外模型，对细菌感染、炎症和机械刺激共存的复杂牙周微环境中免疫细胞串扰机制仍不清楚。

3.2 抗菌与抗炎协同机制

CS材料通过直接与细菌相互作用、局部递送抗菌剂以及调节宿主免疫反应，将抗菌活性与炎症调节偶联。CS分子链上质子化氨基与细菌膜阴离子组分（如脂多糖和磷壁酸）产生强烈静电作用，破坏膜完整性、增加通透性，最终导致P. gingivalis和F. nucleatum等牙周病原体裂解死亡。负载抗菌肽Nal-P-113和聚多巴胺纳米颗粒（PDNPs）的CS水凝胶在体外对多菌种牙周生物膜形成菌（如F. nucleatum和格氏链球菌）抑制率>99%。掺入黑磷的CS水凝胶通过调节宿主铁稳态、驱动巨噬细胞向M2极化并抑制异常炎症反应，改善糖尿病牙周炎病变。现有体内抗菌证据多限于啮齿动物模型，且金属基纳米颗粒及其释放的金属离子存在尺寸和浓度依赖性细胞毒性，如<20 nm的纳米银更易诱导细胞毒性，高浓度金属离子可能损伤邻近牙周组织并干扰口腔共生菌群稳态。抗菌评估多在简化体外细菌环境中进行，在炎性渗出物和生物膜微环境中的稳定性数据仍缺乏。

3.3 成骨分化诱导机制

CS水凝胶通过物理和分子途径促进成骨再生。结构上，仿生多孔支架为成骨干细胞提供稳定黏附位点并调节其形态分化。分子层面，CS材料激活Wnt3a/β-catenin和ERK1/2信号通路，上调成骨标志物（Runx2、ALP、OCN），促进BMSCs和PDLSCs成骨分化。掺杂锶和铜离子通过调节RANKL/OPG比值抑制破骨细胞激活，减少炎症性骨吸收同时增强成骨修复。可注射磺化CS/氧化HA双网络水凝胶兼具局部抗菌活性和促成骨分化、血管生成及牙周膜-骨整合能力。嵌入蜂窝状MnO₂纳米酶和BMP-2衍生肽的CS水凝胶实现止血、抗菌、抗炎和成骨分化的时空协调级联调控，协调有序牙周再生事件。空心羧甲基壳聚糖/海藻酸钠/CaCO₃复合支架增强结构稳定性和血凝块形成，持续释放Ca²⁺招募PDLSCs和MC3T3-E1细胞，上调ALP、Runx2、OCN等核心成骨标志物，引导细胞向成骨谱系定向。pH响应CS/β-甘油磷酸钠复合水凝胶负载米诺环素盐酸盐，以pH依赖方式释放抗生素清除包括P. gingivalis和伴放线聚集杆菌（A. actinomycetemcomitans）在内的牙周病原体，同时通过抑制caspase-1裂解和IL-1β成熟来抑制NLRP3炎症小体激活，减少ROS积累并促进牙周组织再生。然而，当前研究多聚焦单个信号通路，免疫调节与成骨之间的系统性串扰仍未充分探索。

3.4 血管生成-成骨偶联机制

血管生成是骨再生的前提，为骨矿化提供氧气和营养。关键促血管生成因子VEGF的表达主要受缺氧诱导因子（HIF）信号通路调控，HIF-1α稳定后转位入核与HIF-1β二聚化，结合VEGF启动子中的缺氧反应元件（HREs），上调VEGF转录并启动新生血管形成。CS水凝胶通过持续递送VEGF、EPO等促血管生成因子支持血管生成。可注射CS复合水凝胶共递送VEGF和牙髓干细胞（DPSC）来源外泌体，协同促进VEGF介导的内皮管形成和DPSC外泌体驱动的前成骨细胞成骨分化。热敏水凝胶序贯释放ASA和EPO，早期抑制急性炎症，随后刺激内皮细胞增殖和迁移，建立促再生微环境。EPO负载CS/β-甘油磷酸钠/明胶热敏水凝胶在上颌窦提升模型中增加新骨体积和骨密度。CS-聚环糊精海绵作为VEGF缓释平台刺激内皮细胞活性。CS水凝胶的抗氧化和免疫调节特性可减少ROS积累、缓解组织缺氧，间接促进血管生成。共载没食子酸和锌离子（Zn²⁺）的CS水凝胶通过抑制局部炎症和增强M2极化双重机制促进血管生成。含铜锶掺杂介孔生物活性玻璃并负载BMP-2的CS复合水凝胶，通过Cu²⁺/Sr²⁺控释同时激活HIF-1α/VEGF信号并强力刺激成骨分化。但血管生成-成骨偶联的精确时机和剂量协调仍不明确，过度血管增殖可能引发纤维组织增生并损害骨矿化。

3.5 炎症与材料设计的耦合

炎症微环境中生物材料的抗菌、免疫调节、成骨和促血管生成功能高度互联。牙周炎以持续氧化应激为特征，这可能改变可水解或氧化敏感化学键形成的交联，降解产物可能短暂降低间充质干细胞活力。设计策略包括引入ROS清除基团使基质消耗氧化物质，以及选择产生生物相容降解产物的交联化学。牙周菌群失调和多菌种生物膜使单一抗菌疗法效果受限，需开发多功能CS系统，将CS内在阳离子抗菌活性与抗菌载荷、生物膜响应释放或辅助机械清创相结合。CS的固有抗菌活性大多在浮游菌或未成熟生物膜中验证，被视为机械清创的辅助手段。持续抗菌释放不能从根本上消除耐药风险，因为亚抑制浓度长期暴露可导致牙周微生物产生耐药性。免疫调节具有时相依赖性：早期炎症信号支持宿主防御，随后炎症消退促进血管化和成骨。全球抑制炎症信号无法重现组织修复的时间级联。序贯递送系统如早期ASA释放随后EPO释放体现了此设计原则，多层CS/海藻酸钠支架递送IL-4诱导M1向M2极化并在非口腔骨缺损中增强骨再生。

4. 挑战与未来研究策略

当前CS基水凝胶走向临床仍面临重大挑战，涵盖力学稳定性与降解动力学平衡、炎症微环境中的结构失稳、生物分子递送精度不足以及缺损空间维持困难等方面，且现有研究证据可靠性差异较大。

4.1 科学挑战

首要挑战在于协调壳聚糖仿生支架的机械稳定性和降解动力学与天然骨再生的动态级联。生理湿润条件下壳聚糖分子间相互作用减弱，支架机械完整性受损，酶水解驱动的降解常与新生骨形成动力学不匹配。第二个关键局限是壳聚糖水凝胶在炎症微环境中的结构不稳定。牙周炎相关骨缺损中持续炎症和ROS水平升高会破坏水凝胶交联和网络结构，引发支架过早坍塌和生物活性丧失。第三个挑战是生物分子递送的精度和可控性不足。CS水凝胶中生长因子和治疗载荷的释放对pH、离子强度和酶活性等微环境线索高度敏感，难以满足牙周再生治疗中分期、时空控释的要求。第四个挑战是炎症性牙周骨缺损的轮廓保持和空间维持。多种支架和膜材料具有良好的空间维持能力，但市售骨海绵、骨粉和骨膜仍不能满足临床力学要求，主要局限于骨内缺损修复。需注意，这些结局实现的是牙槽骨再生，而非包含牙槽骨、牙周膜和牙骨质协调再生的真正牙周再生。

4.2 临床转化

壳聚糖水凝胶支架从实验室到床边的转化面临多重障碍，部分源于材料理化特性和植入部位微环境，研究证据可靠性差异也较大。成功转化需综合考虑灭菌兼容性、建立标准化测试规程以严格控制批间差异、验证和稳定所有制造单元操作，以及材料在口腔微环境中维持缺损空间和功能稳定性。

4.3 未来研究方向与策略

未来研究应通过物理共混或共价交联引入增强剂（纳米生物活性陶瓷、ECM衍生聚合物、合成聚酯），同时保持生物降解性，提高机械强度和结构稳定性；构建仿生ECM模拟架构以增强生物活性、细胞招募和组织整合。整合双重免疫调节和抗菌功能，负载细胞因子调节剂、氧化还原平衡剂和靶向抗菌剂，设计合理负载策略和时空释放曲线以保证生物利用度、维持有效局部浓度并降低脱靶毒性。开发多层、多孔或刺激响应递送系统，序贯释放治疗药物、血管生成因子（如VEGF）和成骨因子（如BMP-2），结合微/纳米拓扑图案构建仿生血管支架，促进血管网络形成并提高再生骨质量。除骨支架外，壳聚糖生物材料还可制成骨膜类似物、纳米颗粒、海绵等用于牙周组织及口腔骨再生。作为骨缺损填充材料时，需匹配的力学性能和降解动力学，以在牙齿功能咬合负荷下维持缺损部位空间稳定。

5. 总结

CS基水凝胶作为多功能天然生物材料支架，在修复牙周炎相关牙槽骨缺损方面具有独特内在优势。通过合理的仿生结构优化、免疫调节与抗炎修饰、智能响应释放系统构建以及机械自适应设计，可有效克服纯CS水凝胶的固有局限，实现抗菌防御、炎症微环境重塑、促血管生成与成骨再生功能的整合。然而，当前发现仅来源于特定动物模型和材料配方，多数研究仍处于临床前阶段，临床证据有限。临床转化面临机械性能与降解动力学权衡、炎症调控耐久性和稳定性不足、治疗功能时空可控性差、缺乏标准化制造流程和转化评估框架等多重瓶颈。此外，多数研究主要评估牙槽骨形成，而非牙槽骨、牙周膜和牙骨质三者协调再生。未来研究应建立CS化学架构与药物释放谱之间的明确剂量-效应关系；开发忠实再现牙周炎病理特征的炎症疾病模型；改进骨填充材料力学性能和膜材料屏障功能以维持骨缺损区域结构稳定；建立灭菌及长期储存后保持材料性能一致的制造流程。随着动态仿生架构、刺激响应平台和个性化三维（3D）打印技术的持续发展，CS基水凝胶有望成为治疗牙周炎相关骨缺损的下一代支架候选材料。