《SCIENCE ADVANCES》：Self-charged toothbrush facilitates tooth healthcare maintenance
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牙刷在约1118年的历史中，除机械功能外并未发生实质性改进。传统牙刷往往无法在牙齿表面建立抗菌环境，导致细菌得以恢复并重新定植。本研究开发了一种创新的自充电牙刷，将日常刷牙与压电功能相结合，协同实现最佳力学性能与稳定电活性。自充电牙刷通过表面电位介导的静态抗菌
牙刷在约1118年的历史中，除机械功能外并未发生实质性改进。传统牙刷往往无法在牙齿表面建立抗菌环境，导致细菌得以恢复并重新定植。本研究开发了一种创新的自充电牙刷，将日常刷牙与压电功能相结合，协同实现最佳力学性能与稳定电活性。自充电牙刷通过表面电位介导的静态抗菌抑制与动态压电刺激相结合，可产生活性氧（ROS）以破坏细菌膜完整性并减少细菌黏附。临床评价显示，自充电牙刷的局部压电刺激可减轻牙菌斑形成和牙龈炎症。机制研究进一步揭示，自充电牙刷可诱导口腔致病菌膜的氧化损伤，从而损害ATP结合盒（ABC）转运体通路。因此，本研究提出了压电聚偏二氟乙烯（PVDF）牙刷的概念，将物理清洁与持续抗菌效应相结合，凸显了自充电材料在推进口腔健康护理方面的潜力。
研究背景：刷牙是日常维护口腔健康最广泛使用的手段，牙刷通过对牙齿表面的局部机械清洁来控制牙菌斑和维护口腔卫生。牙刷的历史可追溯至公元10世纪中国唐代，至今约1118年。从古代骨柄动物鬃毛到现代标准化尼龙单丝，牙刷的改进和演变始终围绕提升机械摩擦效率以及优化形态和机械结构展开。尽管传统牙刷设计长期聚焦于机械清创，近期创新引入了抗菌和离子释放型变体作为超越单纯摩擦清洁的功能增强。牙菌斑作为结构复杂的生物膜，其特征是存在保护驻留细菌的胞外聚合物基质，这使得传统刷牙仅通过机械力和摩擦难以完全清除深层和邻面区域的口腔致病菌。此外，传统刷牙往往无法在牙齿表面建立持久的抗菌环境，导致细菌在清洁后数小时内迅速恢复并重新定植。这种在牙菌斑局部和持续控制方面的功能局限性，凸显了开发一种整合高效机械去除牙菌斑与持久抗菌效应的新型刷牙系统的必要性和潜在价值。目前已开发出具有更好清洁性能的口腔清洁工具，如抗菌牙刷和离子牙刷。抗菌牙刷的设计通常基于将化学抗菌剂（即金属离子）掺入牙刷单丝基质中，但抗菌效应的长期稳定性无法保证。离子牙刷虽通过电离子而非仅靠机械作用实现清洁功能，但依赖外部电池。针对当前口腔健康护理的技术瓶颈，研究人员提出了一种基于压电材料催化效应的自充电牙刷单丝设计策略，利用常见的应力刺激和铁电压电催化。由聚偏二氟乙烯（PVDF）设计的自充电牙刷具有优异的治疗生物安全性、优化的力学性能和稳定的压电活性，在静态下通过表面电位有效抑制细菌黏附。与现有传统牙刷相比，当自充电牙刷在刷牙过程中上下弹动时，单丝弯曲受到应力激活，实现牙菌斑的机械去除，同时通过压电催化产生活性氧（ROS）以局部破坏细菌膜。这些发现为压电材料在局部牙菌斑控制策略中的牙齿健康护理应用提供了新见解。
研究人员开展了以下研究：设计、构建和表征自充电PVDF单丝；体外验证自充电牙刷单丝的抗菌和牙菌斑去除功能；开展为期3个月的临床疗效评价；通过宏基因组测序和机制研究探究自充电牙刷对口腔微生物组的影响及抗菌机制。研究结论为：自充电牙刷通过压电杀菌效应对抗口腔致病菌如变形链球菌（S. mutans）和牙龈卟啉单胞菌（P. gingivalis），展现抗菌活性；自充电牙刷具有良好的生物安全性、稳定的压电和力学性能，适合日常口腔清洁；机制上，压电刺激触发致病菌内ROS产生，导致细菌膜氧化损伤，损害ABC转运体通路，进而降低细菌黏附和致病性；临床数据证实，使用数月后自充电牙刷显著降低牙菌斑指数并抑制牙菌斑内口腔致病菌的相对丰度。重要意义在于，本研究提出了压电PVDF牙刷的概念，将物理清洁与持续抗菌效应相结合，凸显了自充电材料在推进口腔健康护理方面的潜力。论文发表在《SCIENCE ADVANCES》。
关键技术方法：研究人员采用熔融纺丝挤出法制备不同直径的PVDF单丝（0.16 mm和0.24 mm），经120°C退火处理增强电性能，通过自动植毛加工成牙刷；使用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、压电响应力显微镜（PFM）、电子顺磁共振（EPR）等技术表征材料理化与电学性能；采用定制刷牙机模拟刷牙过程，通过活/死细菌染色、CFU计数、DCFH-DA染色检测ROS、SEM观察细菌形态等方法进行体外抗菌评价；建立牛牙釉质表面人源性口腔菌斑生物膜模型评估牙菌斑去除效果；招募115名志愿者开展随机对照临床试验（北京大学口腔医院伦理委员会批准，中国临床试验注册号ChiCTR2300078294），进行口腔检查和牙菌斑采集；采用16S rRNA基因测序和宏基因组测序分析口腔微生物组变化；通过RT-qPCR和流式细胞术检测ABC转运体基因表达和细菌膜电位。
研究结果：（1）自充电PVDF单丝的设计、构建与表征：通过熔融纺丝挤出和退火处理制备PVDF单丝，SEM显示PVDF-0.16和PVDF-0.24表面光滑无毛刺，弯曲恢复率分别为78.40%和83.33%，满足国家标准要求（60%），且拉伸强度和弹性模量均高于尼龙。XRD显示PVDF-0.24组极性β相含量更高，PFM证实存在明显的振幅、相位信号和局部压电滞回线，压电常数d33和输出电压随单丝直径增加而显著提高，EPR检测到•OH和•O2?的特征峰，PVDF单丝表现出稳定的表面电位。强度测试显示牙刷总束弯曲力小于6 N，属于软毛类别，总束拉力大于15 N，符合国家标准。经模拟3个月使用后，PVDF单丝保持完整，牙齿表面粗糙度无显著变化，电学和力学性能保持稳定，表明自充电牙刷能满足常规3个月口腔清洁需求且不损伤牙釉质完整性。（2）自充电牙刷单丝实现体外抗菌和牙菌斑去除：活/死染色显示PVDF-0.24对S. mutans和P. gingivalis的杀菌率分别为52.80%和78.21%，显著高于尼龙组（9.29%和8.41%）；未极化PVDF的抗菌活性显著低于极化PVDF，证实压电效应的贡献。DCFH-DA检测显示PVDF组细菌内ROS水平显著升高，SEM观察到PVDF组细菌膜出现皱缩和变形。在完全静态条件下，PVDF组周围出现明显抑菌圈，与表面极化残余电位相关。在日常使用的潮湿浴室环境中放置1个月后，自充电牙刷的细菌黏附显著少于尼龙牙刷。体外牙菌斑去除实验显示自充电牙刷去除效率超过99%，CCK-8和活/死染色证实各组细胞毒性低、生物相容性良好。（3）自充电牙刷在牙菌斑控制中展现优势：115名志愿者完成3个月临床评价，PVDF-0.16和PVDF-0.24组的牙菌斑指数、牙龈指数和出血指数均显著降低；牙菌斑减少在基线至第1个月间更为明显，而牙龈炎症和出血改善在第3个月时趋于一致，提示自充电牙刷的潜在机制始于牙菌斑控制，持续的牙菌斑管理逐步改善牙龈炎症。16S rRNA基因测序显示，随使用时间延长，与龋齿相关的S. mutans和放线菌以及与牙周炎相关的P. gingivalis和中间普雷沃菌的相对丰度逐步下降，而尼龙组无显著降低。（4）自充电牙刷损害ABC转运体通路诱导口腔致病菌氧化损伤：宏基因组测序显示自充电牙刷有效维持微生物α多样性，β多样性与基线相似，龋齿相关S. mutans和牙周病相关Fusobacterium polymorphum在1个月后减少，S. mutans和P. gingivalis在3个月后丰度下降，而非致病菌LGG和S. salivarius的相对丰度增加。KEGG富集分析显示使用1个月后细菌分泌系统下调、PPAR信号通路上调，3个月后ABC转运体显著富集。LEfSe分析和模型预测表明口腔疾病相关菌群与ABC转运体通路功能相关性最强。RT-qPCR证实S. mutans和P. gingivalis的ABC通路相关基因在自充电牙刷组中被沉默，而LGG和S. salivarius中无差异；DiOC2染色显示S. mutans和P. gingivalis膜电位超极化；N-乙酰半胱氨酸（NAC）处理可逆转ROS介导的ABC转运体基因下调和杀菌效应。结果表明自充电牙刷触发口腔致病菌内ROS产生，导致细菌膜氧化损伤，破坏ABC转运体通路，进而降低细菌黏附和致病性。
讨论部分总结：压电生物材料因通过调节退火参数和应力调控电学性质的独特能力而在临床应用中展现巨大潜力，其对抗细菌感染的功效已被广泛证实，但压电生物材料在牙刷应用和牙齿健康促进中的作用鲜有报道。本研究报道了自充电牙刷通过压电杀菌效应对抗口腔致病菌，具有良好的生物安全性、稳定的压电和力学性能。机制上，压电刺激触发致病菌内ROS产生，导致细菌膜氧化损伤，损害ABC转运体通路，进而降低细菌黏附和致病性。体外发现得到临床数据印证：使用数月后自充电牙刷显著降低牙菌斑指数并抑制牙菌斑内口腔致病菌相对丰度。研究也指出，长期体外共培养模型不能完全模拟实际刷牙的短暂间歇性机械刺激，未来需采用模拟间歇刷牙模型评估细菌恢复动力学；虽与常规尼龙牙刷比较，但需进一步与市售电动、声波或抗菌涂层替代品比较以确立压电方法的转化优势。研究结论翻译：总之，研究结果证实了自充电牙刷对牙菌斑内口腔致病菌的抗菌效应，并表明自充电牙刷在牙菌斑去除方面具有潜力。未来将开展更长期随访以确认自充电牙刷的持续益处及其在促进牙齿健康方面的优势。
