《Bioactive Materials》：Dual-function thermoresponsive antibiotic-loaded hydrogel with antimicrobial and osteogenic properties for implant-related infection control
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本研究聚焦牙科植入体相关感染（如种植体周围炎）这一临床难题。为解决现有治疗方法抗菌效果不持久、且难以同时支持骨组织修复的瓶颈，研究人员开发了一种基于聚（N-乙烯基己内酰胺）（PNVCL）的热响应性水凝胶，并将其负载抗生素四环素（TC）。结果表明，该水凝胶在生理温度下可快速凝胶化，具有良好的粘附性、可注射性和缓释特性。在体外、原位和体内模型中，该材料均展现出强大的抗菌活性，并能显著促进新骨形成。这为治疗种植体相关感染提供了一种兼具抗菌与促成骨功能的创新材料策略，具有重要的临床转化潜力。
牙种植修复虽然成功率很高，但一个顽固的“敌人”始终威胁着它的长期健康——种植体周围感染。微生物在种植体表面定植，形成复杂且顽固的生物膜，会引发周围组织的炎症。这最初表现为种植体周围黏膜炎，若不加控制，可进展为伴有进行性骨吸收的种植体周围炎。据统计，约有三分之一的患者和五分之一的种植体会经历种植体周围炎。目前，标准的临床治疗主要依赖机械清创联合辅助性抗生素治疗，但长期效果并不理想，且缺乏有效的标准化方案。因此，开发能够实现局部、持续抗菌，同时又能支持受损骨组织再生的新型生物材料，成为口腔种植领域的迫切需求。
针对这一挑战，一项发表在《Bioactive Materials》的研究带来了创新的解决方案。由Caroline Dini、Stéfany Barbosa Alves da Cruz、Rodolfo D. Piazza、Bruna E. Nagay、Rodrigo F.C. Marques、Renato C.V. Casarin、Fang Yang、Magda Feres、Jet Liu、Batbileg Bor、Edilson Ervolino、Liqun Xu、Erica D. de Avila、Leonardo P. Faverani、Jo?o Gabriel S. Souza、Jeroen JJP. van den Beucken、Valentim A.R. Bar?o组成的跨国研究团队，设计并合成了一种基于聚（N-乙烯基己内酰胺）（PNVCL）的热响应性水凝胶，并将其负载上广谱抗生素四环素（TC），旨在构建一个兼具抗菌与促成骨功能的“双效”平台，用于种植体周围感染的控制与治疗。
研究者们运用了一系列关键技术方法来验证其构想。首先，他们通过自由基聚合法合成了PNVCL水凝胶，并负载了不同浓度的四环素。随后，利用扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、核磁共振氢谱（1H NMR）、流变学分析、差示扫描量热法（DSC）和尺寸排阻色谱（SEC）等手段，对水凝胶的形貌、化学结构、热响应温度、凝胶时间、流变学特性及分子量进行了全面表征。他们还系统评估了水凝胶的溶胀、降解、药物释放、可注射性及对钛基底的粘附性能。在生物学验证方面，研究采用了阶梯式的评估框架：包括使用人牙龈成纤维细胞（HGFs）进行的体外细胞相容性实验（CCK-8法）；以唾液为接种源，在商业钛片（HAnano Unitite表面）上培养的需氧（龈上）和厌氧（龈下）多微生物生物膜模型，来测试水凝胶的直接和间接（通过水凝胶浸提液）抗菌效果；通过健康志愿者佩戴的腭侧装置形成的原位生物膜模型，进一步验证其临床相关性抗菌效能及对微生物群落组成的调节作用（16S rRNA测序分析）；最后，在大鼠胫骨模型中建立了模拟种植体周围炎骨缺损的感染模型，进行了为期28天的体内实验，综合评估了材料的体内抗菌效果、局部细胞因子表达、以及通过显微计算机断层扫描（micro-CT）、组织形态计量学和免疫组织化学（检测骨桥蛋白OPN和骨钙素OCN）分析的新骨形成情况。
研究结果显示，这种新型水凝胶展现出了作为理想治疗平台的多种优良特性。
2.1. PNVCL水凝胶的合成与表征
成功合成并表征了PNVCL水凝胶。扫描电镜显示其具有相互连通的三维多孔结构。傅里叶变换红外光谱和核磁共振氢谱证实了聚合反应的成功。流变学分析表明，纯PNVCL水凝胶的溶胶-凝胶转变温度约为34°C，接近生理温度；负载四环素后，转变温度略有降低，但凝胶时间仍在30秒以内，满足临床应用需求。该水凝胶溶胀度高，在pH 7.4的磷酸盐缓冲液和含II型胶原酶的溶液中降解缓慢，表现出良好的稳定性。在含胶原酶的介质中，四环素的释放增加，这有利于在感染相关的炎症环境中增强药效。可注射性测试表明，其注射力在临床可接受范围内。粘附性测试显示，PNVCL水凝胶对钛基底的粘附剪切强度显著高于商业对照泊洛沙姆407（P407），有利于在应用部位保持稳定。
2.2. 体外生物学和微生物学分析
间接细胞毒性实验表明，PNVCL水凝胶（无论是否负载四环素）与人牙龈成纤维细胞共培养时，细胞代谢活性均高于80%，符合生物安全性标准（ISO 10993-5:2009），且优于P407对照组。体外抗菌实验结果表明，负载四环素的PNVCL水凝胶（浓度为5、25、50 mg/mL）在直接接触或通过其浸提液（1、7、14天）作用于多微生物生物膜时，均能显著减少细菌菌落形成单位（CFU），在对需氧（龈上）生物膜的效果尤为显著，其中50 mg/mL组在部分实验中完全抑制了细菌生长。扫描电镜图像也直观显示了细菌簇的明显减少。
2.3. 原位人体微生物学分析
在更接近临床条件的原位模型中，负载四环素的PNVCL水凝胶同样展现出强大的抗菌能力，与对照组相比，细菌CFU降低了2-3个数量级。16S rRNA测序分析进一步揭示，该水凝胶不仅能减少细菌总量，还能调节微生物群落结构。例如，在负载25 mg/mL四环素的PNVCL水凝胶处理组中，与种植体周围疾病相关的关键病原菌，如Fusobacteriumspp.（梭杆菌属）、Prevotellaspp.（普雷沃菌属）、Staphylococcusspp.（葡萄球菌属）以及Tannerellaspp.（坦纳菌属）和Aggregatibacterspp.（聚集杆菌属）的丰度被显著抑制或消除。
2.4. 体内分析
在大鼠胫骨感染模型中，研究结果得到了最终确认。负载25 mg/mL四环素的PNVCL水凝胶显著降低了植入体周围组织的细菌负荷。虽然16S测序显示的微生物多样性（Shannon指数）在组间无差异，但特定病原菌在对照组中出现而在水凝胶处理组中消失。细胞因子分析未显示组间显著差异。最重要的是，显微计算机断层扫描和组织学分析表明，与未处理对照组相比，PNVCL水凝胶（无论是否负载四环素）均能显著促进骨缺损区域的新骨形成，增加骨体积百分比、骨小梁厚度和新生骨面积，并改善骨-植入体接触率。其中，负载四环素的PNVCL水凝胶效果最佳。免疫组化分析为此提供了分子层面的解释：与对照组相比，负载四环素的水凝胶处理组中，骨桥蛋白（OPN，一种与骨重塑和炎症应答相关的蛋白）的表达显著降低；而骨钙素（OCN，一种骨矿化和成熟的标志蛋白）的表达则显著升高。这表明该水凝胶不仅促进了骨再生，而且促进了更高质量、更成熟的新骨形成。
结论与意义
本研究成功设计并验证了一种基于聚（N-乙烯基己内酰胺）的热响应性水凝胶负载四环素的双功能平台。该材料集成了精确定制的热响应行为、可控药物释放、稳健的机械与界面特性以及经过验证的生物学功能。其核心优势在于，它能够在种植体感染这一复杂环境中同时发挥两种关键作用：强大的抗菌与微生物群落调节功能，以及显著的促成骨与骨整合功能。
在抗菌方面，该水凝胶通过其粘附性和缓释特性，实现了在感染部位的长期驻留和持续给药，在体外、原位和体内模型中均能有效杀灭细菌、减少细菌总量，并特异性抑制与种植体周围炎进展相关的病原菌，从而可能有助于将致病性生物膜向健康相关的微生物群落转变。
在成骨方面，其三维多孔结构为细胞迁移和营养输送提供了支架，而四环素本身除抗菌外，还可能通过调节钙代谢、抑制基质金属蛋白酶（MMPs）等机制，协同促进了新骨的形成与成熟。体内实验证实，该材料能有效修复因感染和清创造成的骨缺损，并增强骨与植入体之间的结合。
这项工作标志着向开发一种非侵入性、基于材料的、兼具抗菌和促成骨特性的种植体感染控制策略迈出了关键一步。它不仅为治疗种植体周围炎这一高发病率、难治性疾病提供了新的思路，其材料设计理念（热响应、可注射、粘附、缓释、双功能）也为其他领域的植入医疗器械相关感染控制提供了有价值的参考。尽管仍需在更贴近临床的模型（如考虑口腔环境温度波动、唾液冲刷等）中进行进一步研究，但这项研究无疑为未来开发高效、安全的临床治疗方案奠定了坚实的材料学与生物学基础。
