开发一种创新的锶凝胶用于增强抗敏感性、长效成膜和在口腔组织上持续释放活性成分

《ACS Omega》：Development of an Innovative Strontium Gel for Enhanced Antisensitivity, Long-Lasting Film Formation, and Sustained Release of Active Ingredients on Oral Tissues

　　

本研究介绍了一种新型乙酸锶-透明质酸钠-海藻酸钠水凝胶（Sr-hydrogel），旨在通过增强抗敏感性、牢固成膜以及在牙科组织上持续保留生物活性成分来解决牙本质过敏（dental hypersensitivity, DH）。通过将高分子量透明质酸（high-molecular-weight hyaluronic acid, HMW HA, ～1450 kDa）与海藻酸盐整合，该水凝胶利用锶离子（Sr²⁺）同时作为交联剂和再矿化剂。Sr²⁺介导的离子交联形成了一种内聚性、剪切稀化的网络，对羟基磷灰石具有强粘附性，既能抵抗唾液冲刷，又能实现精确施涂。优化过程突出了锶、海藻酸盐和HMW HA在确保Sr-hydrogel的粘弹性和机械稳定性方面的关键作用。该Sr-hydrogel表现出持续数小时的Sr²⁺释放/保留。体外测试显示88%的牙本质小管封闭率，由于Sr²⁺的长时间保留，显著优于对照组。结合出色的生物相容性，Sr-hydrogel为DH治疗和再生牙科应用提供了一个有前景的平台，值得进一步的临床评估以验证长期疗效和疼痛缓解效果。

牙本质过敏（dental hypersensitivity, DH）是影响15%–20%成年人群的常见口腔问题，患者牙齿因牙本质小管暴露而对热、触、化学等刺激产生尖锐、短暂的疼痛。现有治疗方法包括含钾盐、锶盐、氟化物等成分的脱敏牙膏，以及激光疗法，但这些手段均存在局限性：脱敏牙膏提供的沉积物易被唾液冲刷或机械磨损导致临时缓解；激光治疗成本高、依赖操作者技术且效果不一。因此，开发能快速可靠封闭牙本质小管、并能在口腔环境中持久保持的脱敏材料成为临床迫切需求。水凝胶因其离子聚合物网络可通过氢键和静电作用与牙釉质及牙本质牢固结合，形成抗冲刷的保护膜，并能实现治疗性离子的局部持续递送而受到关注。研究人员基于海藻酸钠（sodium alginate, 一种阴离子多糖，能与二价阳离子快速交联）和透明质酸（hyaluronan, 一种提供粘弹性的线性糖胺聚糖）的组合，利用锶离子（Sr²⁺）既作为交联剂又作为再矿化剂，开发了一种创新的乙酸锶-透明质酸钠-海藻酸钠水凝胶（Sr-hydrogel），旨在通过增强抗敏感性、牢固成膜和活性成分的持续保留来治疗DH。该研究系统优化了水凝胶配方，评估了其流变学、生物相容性、成膜能力、锶释放/保留动力学以及牙本质小管封闭效果，并得出结论：优化配方（Formula 13：4.5 wt ‰高分子量HA、13.6 wt ‰海藻酸钠、5.5 wt ‰乙酸锶）具有优异的剪切稀化粘弹特性、良好的生物相容性（≤1.0 mg/mL时细胞活力>80%），能在羟基磷灰石表面形成持久膜并持续释放锶（表面半衰期2.1小时），在体外以单次施用实现88%的牙本质小管封闭率，显著优于钙凝胶对照和空白对照。该研究为DH治疗提供了一种兼具快速封闭、长效保留和生物安全性的新平台，论文发表在《ACS Omega》。

研究人员开展研究用到的主要关键技术方法包括：（1）配方筛选与系统对比：制备19种不同浓度的HA、海藻酸钠和乙酸锶配方，通过振荡剪切测试和SEM初步评估凝胶状态和结构稳定性，确定最优配方；（2）流变学表征：使用旋转流变仪进行振荡频率扫描和屈服应力测试，测定储能模量（G′）、损耗模量（G″）、复合粘度和屈服应力，评估粘弹性和剪切稀化行为；（3）细胞毒性评价：采用CCK-8比色法检测人牙龈成纤维细胞（HGF-1，ATCC CRL-2014）经不同浓度Sr-hydrogel处理24小时后的代谢活性；（4）锶保留与成膜分析：将Sr-hydrogel涂覆于羟基磷灰石（HAP）圆盘并浸入人工唾液不同时间（1–8小时），通过SEM观察膜形态、XPS定量表面锶原子百分比并拟合指数衰减模型计算表面半衰期；（5）牙本质小管封闭实验：以牛牙本质切片（取自中根区域），经0.5 M EDTA蚀刻暴露小管，利用微刷分别施用Sr-hydrogel（预先1:1混合人工唾液）、钙凝胶对照或人工唾液对照10分钟，通过SEM成像和ImageJ软件定量计算小管封闭率。

**结果**

**配方依赖的结构稳定性**
通过视觉评估和SEM观察，研究人员发现水凝胶的形成严格依赖于乙酸锶和海藻酸钠的同时存在，缺少任一成分均无法形成凝胶。在含4.5 wt ‰ HA（1450 kDa）和13.6 wt ‰海藻酸钠的体系中，乙酸锶浓度为5.5 wt ‰（Formula 13）或2.7 wt ‰（Formula 17）时形成抗剪切凝胶结构，但10.9 wt ‰（Formula 16）导致相分离。海藻酸钠浓度在13.6 wt ‰时最优，6.8 wt ‰或27.3 wt ‰均引起相分离。HA浓度在4.5 wt ‰或9.1 wt ‰时形成抗剪切凝胶，2.3 wt ‰或0 wt ‰时则结构不稳定。高分子量HA（1450 kDa）能维持凝胶稳定，而低分子量HA（200 kDa, 10 kDa）导致弱凝胶和相分离。因此确定最优配方为4.5 wt ‰ HA（1450 kDa）、13.6 wt ‰海藻酸钠、5.5 wt ‰乙酸锶（Formula 13），该配方在人工唾液中仍保持结构完整。

**流变学性质**
在6.3 rad/s（典型口腔咀嚼剪切率范围）下，Formula 13的储能模量（G′）为8626 Pa，损耗模量（G″）为2288 Pa，复合粘度为1415 Pa·s，G′始终大于G″，呈现弹性主导的粘弹特征，且存在屈服应力（14.68 Pa）。该配方表现出明显的剪切稀化行为，粘度从0.16 rad/s时的约29491 Pa·s降至39.8 rad/s时的282 Pa·s。相比Formula 13，HA浓度增加或降低、乙酸锶浓度降低均导致模量和粘度显著下降；乙酸锶浓度升高（10.9 wt ‰）则因相分离无法测定。Formula 13在人工唾液中处理2小时后，G′、G″和复合粘度下降约2–4倍，屈服应力消失，但仍优于其他配方。

**细胞毒性**
含Sr-hydrogel（Formula 13）的培养基处理HGF-1细胞后，浓度0.5或1.0 mg/mL时细胞活力>80%，1.5或2.0 mg/mL时活力<70%（剂量依赖性）。研究人员采用≥80%作为保守的安全阈值，认为≤1.0 mg/mL下该水凝胶具有良好的细胞相容性。

**羟基磷灰石表面上的可控锶保留与牢固膜粘附**
SEM显示Sr-hydrogel在HAP表面形成连续、内聚的膜，在人工唾液中浸泡8小时后膜仍基本完整。XPS分析表明，表面结合锶原子百分比随时间指数衰减，拟合表面半衰期为2.1小时：初始约2.4%，1小时2.5%，2小时1.8%，4小时0.8%，8小时1.1%。该持续保留特征不同于可溶性锶盐的快速冲刷，表明水凝胶膜能延缓锶的扩散和溶出。

**Sr-水凝胶增强牙本质小管封闭**
以牛牙本质切片进行体外小管封闭实验，Sr-hydrogel处理侧的牙本质小管封闭率为88%（平均），显著高于人工唾液对照组（30%封闭率）和钙凝胶对照组（49%封闭率），差异有统计学意义（p < 0.001）。研究人员认为Sr²⁺的局部保留促进了小管内矿化沉积（如形成钙锶磷灰石），并结合粘附成膜作用实现了高效封闭。

**讨论总结**
讨论部分指出，锶化合物虽有再矿化和脱敏潜力，但单用时效果弱，需通过配方优化发挥其与海藻酸盐和HA的协同作用。Sr²⁺与海藻酸盐G-嵌段形成“蛋盒”结构，构建弹性主导网络；HMW HA通过链缠结和增塑作用增强剪切稀化行为。离子浓度和分子量的偏离（如过量Sr²⁺或低分子量HA）会导致相分离或弱凝胶。在人工唾液中，单价离子（Na⁺、K⁺）置换Sr²⁺导致网络部分解交联，但短期仍保持良好力学性能。与钙凝胶相比，Sr²⁺因离子半径和原子质量较大，更容易取代羟基磷灰石中的Ca²⁺形成钙锶磷灰石，提高结晶度和封闭稳定性。该水凝胶相较于其他脱敏方法（如脱敏化合物、激光、仿生再矿化）的独特优势在于：同时实现高效小管封闭、长效成膜保留和生物相容性，且具有可注射、可塑形的临床适用性。研究局限性包括体外设计、仅测试HGF-1一种细胞、未计算IC₅₀、8小时评价期有限，且未进行酸挑战或长期唾液暴露下的耐久性测试。

**研究结论翻译**
Sr-水凝胶（Formula 13）表现出最佳的流变学特性，具有显著的弹性和剪切稀化行为，便于口腔内施用。该水凝胶在羟基磷灰石表面形成内聚、耐久的膜，在人工唾液中抵抗侵蚀达8小时，并展现出持续的锶保留能力，性能优于易被快速冲刷的可溶性锶盐。体外实验中，Sr-水凝胶实现了88%的牙本质小管封闭率，显著超过钙凝胶对照，并与人类牙龈成纤维细胞表现出生物相容性。这些特性——流变适用性、结构韧性、持续锶保留和有效小管封闭——使Sr-水凝胶成为治疗牙本质过敏的有前景的候选材料。本研究受限于体外设计，可能无法完全复现人体口腔环境；生物相容性测试仅针对HGF-1细胞，缺乏其他细胞类型（如成牙本质细胞）的数据。尽管剂量反应数据显示在≤1.0 mg/mL Sr²⁺浓度下具有低细胞毒性（活力>80%），但本研究未计算正式的IC₅₀值，将在未来工作中评估。水凝胶抗唾液侵蚀的8小时评价期提供了有限但有益的长期性能信息。虽然Sr-水凝胶在初始小管封闭方面优于Ca-水凝胶对照，但当前体外评估未包括酸挑战或延长模拟口腔液暴露下的耐久性测试，这些条件对于评估针对饮食酸和唾液流动的长期封闭效果具有临床相关性。未来研究应包括动物体内研究以评估生理条件下的小管封闭和生物相容性，以及人体临床试验以评价疗效和安全性。对额外配方的系统表征、长期稳定性研究（>8小时唾液环境）以及引入抗菌或生物活性剂（如氟化物）可能进一步增强Sr-水凝胶的临床适用性。