壳聚糖基水凝胶用于牙周治疗：从药物-聚合物化学到智能多功能与再生系统

《Chemistry & Biodiversity》：Chitosan-Based Hydrogels for Periodontal Therapy: From Drug-Polymer Chemistry to Smart Multifunctional and Regenerative Systems

摘要专业翻译 牙周炎（periodontitis）是一种由微生物菌群失调（microbial dysbiosis）、氧化应激（oxidative stress）及宿主免疫应答失调驱动的慢性多因素炎症性疾病，可导致牙周组织进行性破坏，并最终造成牙齿丧失。传统的治疗手段，包括龈下刮治和根面平整（scaling and root planing）及全身性抗生素治疗，因细菌清除不彻底、位点特异性差、药物滞留时间短、全身性副作用明显以及再生支持能力有限而存在诸多局限。近年来，壳聚糖（chitosan，CS）基水凝胶凭借其良好的生物相容性（biocompatibility）、生物可降解性（biodegradability）、黏膜黏附性（mucoadhesive nature）及易于化学修饰等特点，已成为用于牙周局部治疗的一类极具前景的生物材料。本综述对负载抗生素、植物化学物（phytochemicals）、抗炎药物、纳米颗粒（nanoparticles，NPs）、再生分子及刺激响应性材料的功能化CS基水凝胶系统在牙周炎管理中的最新进展进行了批判性讨论，重点聚焦于牙周病理生理学、治疗策略以及影响其性能的药物-聚合物相互作用。此外，本综述还重点介绍了能够响应牙周微环境中pH、活性氧（reactive oxygen species，ROS）、温度及酶活性的新兴智能水凝胶系统，以实现可控、靶向的药物递送。未来展望涉及开发多刺激响应性、微生物组保护性（microbiome-preserving）、自愈合（self-healing）及个性化水凝胶平台，以实现序贯药物递送与牙周再生。总体而言，本综述弥合了材料化学与临床可应用性之间的鸿沟，为设计用于靶向牙周治疗的下一代CS基水凝胶提供了见解。

论文主体内容总结

1 引言

牙周炎是一种慢性炎症性疾病，以牙周膜、牙骨质和牙槽骨的进行性破坏为特征，若不及时治疗最终将导致牙齿丧失。该疾病由含有牙龈卟啉单胞菌（Porphyromonas gingivalis）、齿垢密螺旋体（Treponema denticola）和福赛坦纳菌（Tannerella forsythia）等致病菌的失调性多微生物生物膜所引发，这些病原菌可触发牙周组织持续的炎症和氧化应激反应。活性氧（reactive oxygen species，ROS）水平升高、炎症细胞因子和蛋白水解酶共同导致胶原降解、牙槽骨吸收和牙周组织破坏。尽管龈下刮治和根面平整、全身性抗生素、外科手术以及光动力或激光治疗等传统方法仍被广泛使用，但其长期疗效有限，存在生物膜清除不彻底、牙周袋内药物滞留不足、全身副作用及疾病复杂性等挑战。水凝胶因其优异的生物相容性、高保水能力、可注射性和仿生特性，正成为牙周药物递送的有力候选材料。其中，壳聚糖（chitosan，CS）基水凝胶凭借其生物可降解性、黏膜黏附性、抗菌活性及易于化学功能化的特点而备受关注。CS分子中氨基和羟基的存在使其能够进行官能团修饰、动态交联以及多种治疗药物的整合，从而实现可控的、刺激响应性药物递送。近年来研究日益聚焦于能够响应牙周袋内病理刺激（如低pH、高ROS水平、酶活性和炎症状态）的多功能智能CS基水凝胶。

2 文献检索策略

本综述文献检索覆盖PubMed、Scopus、Web of Science和Google Scholar数据库，检索关键词包括"chitosan"、"periodontitis"、"stimuli-responsive hydrogel"、"nanoparticles"、"periodontal regeneration"和"injectable hydrogels"。纳入2020年1月至2026年9月7日期间发表的临床前和临床研究，涵盖抗菌、抗炎、再生及刺激响应性CS基牙周应用系统。以CS基水凝胶的原创研究为主要证据，非水凝胶CS制剂仅用于背景比较。会议摘要、书籍章节、非英文文献及与牙周医学无直接相关性的研究被排除。重复文献通过Zotero文献管理系统识别并删除。

3 牙周微环境与疾病病理生理学

牙周炎是一种多因素炎症性疾病，微生物菌群失调、失衡的宿主免疫应答和氧化应激共同导致牙周组织的进行性破坏。牙周袋是一个动态且具有挑战性的微环境，局部pH可随疾病严重程度、龈下微生物组成及龈沟液更新而呈酸性。ROS、炎症细胞因子和酶类在微生物活动刺激下升高，形成低氧条件。从健康牙龈向牙周疾病的转变与共生微生物群落向致病性厌氧菌（尤其是红色复合体细菌）的过渡相关。这些微生物产生脂多糖、蛋白酶和代谢副产物等毒力因子，刺激宿主免疫应答，促进炎症性组织破坏和疾病进展。牙周炎的主要问题之一是ROS过量产生。持续的氧化应激导致胶原降解、脂质过氧化、破骨细胞活化和牙槽骨吸收。同时，TNF-α、IL-1β、IL-6和基质金属蛋白酶等炎症物质水平升高，进一步加重牙周组织破坏并阻碍再生愈合。牙周微环境对有效药物递送构成多重挑战：持续的唾液流、龈沟液更新、咀嚼和吞咽等咀嚼力、舌运动及其他机械应力可减少药物在牙周袋内的滞留；酸性和富含酶的环境可能影响聚合物稳定性，导致药物过早降解。

4 壳聚糖化学与水凝胶工程

CS是由几丁质部分脱乙酰化得到的天然阳离子多糖，其主链由β-(1→4)连接的D-葡萄糖胺和N-乙酰-D-葡萄糖胺单元组成，含有可发生化学修饰和水凝胶网络形成的活性氨基和羟基。脱乙酰度（degree of deacetylation，DDA）、分子量、结晶度和链结构等关键结构特征决定CS的理化及生物学性质，进而影响其溶解度、黏膜黏附性、溶胀行为、酶降解和药物释放曲线。CS的一个显著特征是其伯胺基团在局部环境pH低于其pKa（约6.5）时发生pH依赖性质子化，形成带正电荷的聚合物主链，与带负电的黏膜组织和细菌膜等生物界面产生强静电相互作用，从而增强其黏膜黏附性和抗菌性。CS基水凝胶可通过物理或化学交联策略制备。物理交联依赖非共价相互作用，包括离子相互作用、氢键、疏水相互作用和热诱导溶胶-凝胶转变；化学交联则通过席夫碱反应、京尼平介导交联、硼酸酯形成等机制形成共价键。通过选择适当的交联方式，可定制水凝胶的力学强度、孔隙率、可注射性、降解速率及环境响应性。刺激响应性CS水凝胶可适应病理微环境变化：pH响应系统利用CS的质子化-去质子化改变水凝胶溶胀并促进控释；ROS响应水凝胶可引入硼酸酯键等氧化敏感连接；热响应制剂常引入β-甘油磷酸钠（β-glycerophosphate，β-GP）实现生理温度下的原位凝胶化。无机纳米材料和生物活性化合物的引入进一步扩展了CS基水凝胶的功能，如硫化铜（copper sulfide，CuS）、羟基磷灰石、生物活性玻璃、氧化石墨烯、金属氧化物纳米颗粒（nanoparticles，NPs）及生长因子载体等可改善力学强度、抗菌活性和骨诱导特性。但CS也存在固有局限：生理pH下溶解度有限、批次间理化性质差异可能影响重现性、天然CS制备的水凝胶力学强度相对较低，因此常与其他聚合物或无机填料复合以改善结构稳定性。

5 壳聚糖水凝胶作为药物载体和支架

5.1 壳聚糖水凝胶在牙周治疗中的作用机制

CS水凝胶在牙周袋中可提供多种治疗效应。抗菌作用主要源于CS自身质子化胺基的阳离子特性，可破坏带负电的细菌膜，同时负载的抗生素、抗菌肽或纳米颗粒（NPs）可提供第二种杀菌机制。抗氧化活性由CS本身的内在自由基清除能力或负载的植物化学物（如黄芩素、虾青素、白藜芦醇、咖啡酸苯乙酯（caffeic acid phenethyl ester，CAPE））及ROS响应性连接基团贡献。抗炎活性主要通过氟比洛芬、醋氯芬酸、水杨酸盐等小分子和植物化学物抑制促炎细胞因子信号传导实现。促再生活性则依赖成骨/血管生成因子、生物活性无机成分和生长因子递送以支持牙周组织再生。

5.1.1 抗生素

负载抗生素的CS基水凝胶已被广泛研究用于牙周局部治疗。已纳入阿奇霉素、多西环素、阿莫西林、米诺环素、环丙沙星和甲硝唑等多种广谱抗生素。阿奇霉素负载CS水凝胶显示出改善的黏膜黏附和持续药物释放；多西环素负载系统（包括PLGA微球和CS干凝胶）实现延长释放并减少初始突释；米诺环素负载介孔二氧化硅NPs经CS包覆后表现出增强的抗菌功效和再生潜力；环丙沙星负载纳米复合水凝胶具有pH响应释放行为并促进成骨细胞增殖；甲硝唑负载热敏水凝胶和胶原-CS支架对厌氧牙周病原菌有效。新近开发的多西环素和阿托伐他汀双药CS水凝胶可持续释放72小时，并对牙龈卟啉单胞菌具有抗菌活性。然而，广谱抗生素的无差别使用可能破坏口腔微生物组，加重菌群失调。未来CS基系统应转向病原体选择性或微生物组调节策略。

5.1.2 植物化学物和天然提取物

负载植物化学物的CS基水凝胶因其超越直接抗菌效应的广泛生物活性而受到关注。含黄芩苷和黄芩素的CS系统可促进成纤维细胞迁移和胶原合成，同时减少炎症反应。虾青素负载二硒交联CS水凝胶表现出有效的ROS清除、原位凝胶化和组织修复改善。CAPE功能化水凝胶可响应升高的ROS水平并通过调节Nrf2/HO-1通路减少炎症信号传导。白藜芦醇衍生碳化聚合物点掺入CS水凝胶后兼具抗氧化、抗菌、自愈合和pH响应药物递送特性。仙人掌提取物负载CS水凝胶改善了抗生物膜活性和免疫调节效应。植物化学物系统面临溶解度差、化学不稳定、快速降解和活性成分组成变异等挑战，多数仍处于临床前阶段。

5.1.3 小分子抗炎系统

掺入CS基水凝胶的小分子抗炎剂旨在控制过度炎症、氧化应激和细胞外基质降解。含CuS-介孔二氧化硅-硫酸化CS纳米簇的系统在大鼠牙周炎模型中减少炎症反应。含水杨酸衍生物的热响应可注射CS/β-GP/胆碱水凝胶降低促炎细胞因子表达并抑制牙槽骨吸收。含碳酸氢钠、生物活性玻璃和乙酰苯胺的水凝胶表现出良好的可注射性、抗菌活性和磷灰石形成能力。负载醋氯芬酸的埃洛石纳米管增强CS/β-GP热敏水凝胶实现持续药物释放和温度触发凝胶化。但多数系统依赖被动药物释放，未充分考虑牙周炎症的演变特性。

5.1.4 纳米颗粒和杂化系统

抗菌NPs整合CS基水凝胶已成为先进的多功能牙周治疗平台。负载Nal-P-113肽和聚多巴胺NPs的CS水凝胶对牙龈卟啉单胞菌和具核梭杆菌具有ROS清除和抗菌活性，释放动力学可持续13天。CuS-介孔二氧化硅-硫酸化CS纳米簇通过Cu²⁺介导的ROS信号增加具核梭杆菌的氧化应激，抑制细菌生长和生物膜形成，并在大鼠牙周炎模型中减少炎症和促进牙槽骨再生。米诺环素负载树枝状纳米凝胶与黄芩苷组合的纳米水凝胶表现出抗菌和免疫调节活性。CuS NP负载可注射水凝胶产生ROS介导的抗菌效应并促进血管生成和牙槽骨再生。银基系统虽具有强抗菌活性，但浓度依赖性细胞毒性限制了临床转化。吲哚菁绿（indocyanine green，ICG）负载CS NPs联合810 nm二极管激光光动力治疗在临床研究中显著改善牙周参数。NP整合系统存在长期细胞毒性、NPs蓄积、生物降解和监管审批等担忧。

5.1.5 再生和多功能水凝胶系统

再生和多功能CS基水凝胶旨在同时管理感染、减少炎症、促进血管生成和牙周组织再生。含β-磷酸三钙（β-tricalcium phosphate，β-TCP）的热敏CS水凝胶支持前成骨细胞MC3T3-E1的活力和成骨潜能。氧化镁基CS膜在第28天表现出受控降解和改善的结构稳定性。阿莫西林负载CS-羟基磷灰石基质实现持续药物释放和炎症信号减少。含银NPs及槲皮素和CAPE脂质复合物的CS-泊洛沙姆(407)-聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAM）水凝胶表现出热和pH响应行为及抗菌活性。双层CS/海藻酸盐/β-TCP支架共递送米诺环素和脂质体包封辛伐他汀，在体内提供持续抗菌活性、增强成骨并显著促进牙槽骨再生。金属有机框架（metal–organic framework，MOF）整合CS水凝胶含镁和没食子酸，具有可注射、自愈合及pH和ROS双响应特性。然而，多数再生结果以牙槽骨为中心，对牙周膜、牙骨质、牙龈软组织及牙周微生物组的协调再生关注不足。

5.1.6 氧化还原响应和智能自适应系统

刺激响应性CS水凝胶可响应牙周病理条件释放治疗药物。CAPE功能化水凝胶实现ROS触发药物释放并抑制炎症细胞因子表达。白藜芦醇衍生碳化聚合物点水凝胶表现出pH响应降解、自愈合、抗菌和抗氧化效应。CS包覆海藻酸微球实现甲硝唑持续释放并提供ROS清除和血管生成刺激。锌离子配位羧甲基CS/氧化透明质酸水凝胶表现出优异的组织黏附、抗疲劳性、抗菌活性和成骨潜能。CMCS-氧化葡聚糖水凝胶递送恩贝酸，具有pH响应、自愈合和控释特性。热敏可注射自组装CS水凝胶共负载粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子和白藜芦醇，在代谢复杂性牙周炎模型中抑制MAPK/NF-κB信号传导并减少Th17细胞浸润。智能自适应水凝胶代表了下一代牙周治疗方法，但多数仍处于概念验证阶段。

5.2 壳聚糖水凝胶作为细胞和细胞衍生治疗支架

CS水凝胶作为递送细胞衍生再生组分的支架是一个独特且相对未充分探索的应用领域。其水合三维网络可为细胞滞留、存活和分化提供支持性局部环境。牙髓干细胞来源外泌体掺入CS网络后，在小鼠牙周炎模型中促进牙周上皮和牙槽骨愈合并减少局部炎症，其效应与巨噬细胞向抗炎表型极化转变相关，部分归因于外泌体递送的miR-1246。但CS基系统中可获得的证据仍然有限，大多数研究聚焦于分泌组负载CS水凝胶以无细胞形式递送干细胞来源的再生因子，如FGF-2、VEGF和TGF-β。掺入活细胞、细胞片或球体并经牙周再生验证的CS水凝胶仍然有限。

6 壳聚糖水凝胶的药物-聚合物化学

CS基水凝胶的性能主要受其活性氨基和羟基产生的分子相互作用影响。这些基团参与离子相互作用、氢键、共价交联和动态超分子组装。五个内在参数对水凝胶设计尤为重要：分子量影响聚合物链缠结和溶液黏度，高分子量CS形成更致密、力学更强的网络；脱乙酰度决定可用于质子化和交联的游离氨基数量；化学修饰CS衍生物的取代度影响交联能力和刺激响应行为；聚合物浓度影响网络密度和初始网孔尺寸；交联密度决定力学稳定性、降解和药物释放速率之间的平衡。静电相互作用是最广泛使用的机制之一，CS与透明质酸、海藻酸盐、黄原胶、黄蓍胶和羧甲基纤维素等阴离子聚合物形成的聚电解质复合物可提供可调溶胀、改善黏膜黏附和持续药物释放。动态共价化学使自适应和刺激响应性水凝胶网络得以发展：含芳基硼酸酯的ROS响应系统可在氧化条件下选择性裂解；氧化多糖与氨基功能化CS衍生物之间的席夫碱化学可产生可注射和自愈合水凝胶。纳米材料的掺入引入额外的界面相互作用，金属氧化物NPs、介孔二氧化硅、氧化石墨烯、羟基磷灰石和生物活性玻璃可通过静电相互作用、表面配位和离子介导生物信号增强力学强度、成骨活性和抗菌性能。离子或共价交联的CS系统（如CS-海藻酸盐和CS-黄原胶水凝胶）通常比简单热凝胶系统表现出更长的牙周袋内滞留和更慢的侵蚀。

7 总结与展望

CS基水凝胶因其固有的黏膜黏附性、生物相容性、可注射性和持续局部药物递送能力，已成为牙周治疗中具有前景的多功能平台。未来发展方向涉及开发多刺激响应性、微生物组保护性、自愈合和个性化水凝胶平台，能够实现序贯药物递送和牙周再生。标准化评价、长期安全性、可制造性和临床基准测试对于推动这些系统走向临床应用仍然至关重要。