通过辐照诱导接枝技术制备多面体寡聚硅氧烷功能化的羧甲基壳聚糖微球，用于拔牙后牙槽的止血和组织修复

《International Journal of Biological Macromolecules》：Polyhedral oligomeric silsesquioxane-functionalized carboxymethyl chitin microspheres via irradiation-induced grafting for hemostasis and tissue repair in post-extraction sockets

本研究开发了一种POSS功能化的羧甲基壳聚糖微球（CMGP），通过电子束辐照接枝技术制备。体外和体内实验表明，CMGP具有优异的生物相容性和可降解性，能显著缩短凝血时间（555秒降至55秒），减少出血量（617毫克降至21毫克），并促进巨噬细胞M2极化及间充质干细胞骨分化，为牙槽窝术后管理提供了高效的多功能生物材料平台。

　　

赵向义|雷赛|严敏|江轩|张宇杰|刘杰|杨梅轩|李柳根|王晨宇|谢聪|李同飞|范玲

中国湖北省十堰市湖北医科大学基础医学院天然药物纳米制剂研究重点实验室，胚胎干细胞研究重点实验室，邮编442000

摘要

拔牙是一种常见的牙科手术，常伴随局部组织损伤和牙槽骨吸收。将止血材料和再生材料结合使用可以显著提高拔牙后的治疗效果和患者预后。本文通过电子束辐照接枝技术制备了具有双重功能的多面体寡聚硅氧烷（POSS）功能化的羧甲基壳聚糖微球（CMGP）。体外和体内研究表明，CMGP具有良好的生物相容性和生物降解性。这些微球通过强大的血小板激活能力促进血液凝固。在大鼠动脉穿刺模型中，凝血时间从555秒缩短至55秒，出血量从617毫克减少至21毫克。此外，CMGP微球显著诱导巨噬细胞向M2极化，显示出强大的组织修复作用。同时，这些微球还能加速间充质干细胞的成骨分化，这对骨骼再生至关重要。因此，POSS功能化的辐射接枝羧甲基壳聚糖微球CMGP为拔牙后创口管理提供了一种有前景的生物材料平台，能够增强止血和组织修复效果。

引言

拔牙是口腔颌面外科中广泛实施的手术，术后止血和牙槽骨维护是患者恢复及后续假体修复或种植牙成功的关键因素[1]、[2]、[3]。有效的拔牙创口管理需要能够同时促进快速止血和组织再生的多功能填充材料。传统上，自体、同种异体及异种骨移植一直是创口保存的金标准，但这些生物骨材料存在免疫反应、交叉感染或需要额外手术的风险[4]、[5]。因此，人工骨材料因其可控的生产过程、优异的生物相容性和高骨再生效率而成为有吸引力的替代品[6]、[7]。尽管取得了这些进展，大多数现有合成材料通常只能单独解决止血或成骨问题，这凸显了需要同时具备快速止血和增强组织再生功能的集成生物材料的需求。

许多人工骨替代品已实现商业化，例如Geistlich Bio-Oss? Collagen、AORE? Spongious Bone Substitute。其中，结合多种成分的复合骨材料成为人工骨研究的新趋势。基于胶原的骨复合材料因其天然的生物相容性和骨传导性而受到广泛关注[8]、[9]、[10]。例如，Gu等人制备了一种聚磷酸盐交联的胶原支架（P-CS），该支架具有较高的弹性模量和优化的降解性能[11]。此外，聚磷酸盐的加入促进了骨髓间充质干细胞的成骨分化[11]。实际上，天然多糖在复合骨材料的研究和开发中也越来越受到重视[12]、[13]、[14]、[15]。羧甲基壳聚糖是天然多糖壳聚糖的热敏衍生物，具有优异的生物相容性和生物活性[16]、[17]。其热敏凝胶化行为使其易于加工成多种形态，包括微球[18]、[19]、水凝胶[20]和膜[20]。在我们之前的研究中，羧甲基壳聚糖微球（CM）具有内在的促凝特性，并可通过电子束辐照接枝功能性单体[21]、[22]。我们知道，有效的骨再生需要引入无机物质以提供成骨诱导和成骨传导信号。传统的无机相如羟基磷灰石、β-三钙磷酸盐和生物活性玻璃已被广泛应用于牙科骨替代材料[23]、[24]、[25]。然而，这些传统陶瓷材料存在脆性、注射性差和缺乏止血功能等局限性。

多面体寡聚硅氧烷（POSS）是一种纳米级的无机-有机杂化化合物，可通过反应性官能团有效掺入聚合物基质中，同时保持其固有的生物活性、成骨潜力和生物相容性[26]、[27]、[28]、[29]。Gong等人报道了一种仿生牙齿形状的珍珠母/PU/POSS（NPP）复合支架，通过3D打印植入大鼠模型的拔牙创口中，显著减少了牙槽骨吸收，降低了骨丢失的高度和宽度。机制上，POSS不仅提高了支架的可打印性，还促进了骨再生[30]。在另一项研究中，亲水性的NH₂-T₄-POSS改性的γ-聚谷氨酸被用于制备有机/无机杂化水凝胶PGA-DA&T4，有效促进了骨缺损的愈合[31]。除了骨再生外，基于POSS的材料还表现出潜在的促凝和组织修复作用[32]、[33]。这些特性使POSS成为聚合物改性的理想候选材料。除了上述的凝胶和支架形式的填充材料外，基于微球的填充材料结合了良好的填充相容性、高比表面积和机械性能，使其成为拔牙后创口的潜在理想材料。

因此，用POSS对CM微球进行功能化是一种合理的方法，可以构建一个兼具快速止血和增强成骨能力的双重功能平台。在本研究中，通过两步改性过程合成了POSS功能化的羧甲基壳聚糖微球（CMGP）：首先通过电子束辐照将缩水甘油甲基丙烯酸酯单体接枝到CM微球上，然后与氨基丙基异丁基POSS结合（方案1）。通过体外凝血试验和体内出血模型全面评估了CMGP微球的止血效果。还通过转录组测序、Western blot分析和流式细胞术评估了巨噬细胞的极化情况，并利用骨髓间充质干细胞评估了CMGP对成骨的作用。总之，本研究主要探讨了CMGP作为促进拔牙后创口止血和组织再生的生物活性填充材料的治疗潜力。

材料

壳聚糖（平均分子量Mη 7.56 × 10⁵ Da）购自浙江Golden-Shell生化有限公司（中国）。PEG 10000（≥ 98%）、缩水甘油甲基丙烯酸酯（GMA）（≥ 97%）、四氢呋喃（≥ 99.5%）和N,N-二甲基甲酰胺（≥ 99.5%）由上海Saan Chemical Technology有限公司提供。氨基丙基异丁基POSS（AM0265）购自Hybrid Plastics, Inc.（美国）。止血剂Avitene?微纤维胶原止血剂来自Becton, Dickinson and Company（美国）。CD42b

缩水甘油甲基丙烯酸酯接枝微球（CMG）

首先在含有NaOH/尿素的水溶液中合成羧甲基壳聚糖[16]。¹H NMR谱显示，乙酰化和羧甲基取代度分别为约0.92和0.12（图S1）。随后，如先前报道的那样，通过包含羧甲基壳聚糖和聚乙二醇的水相系统制备了羧甲基壳聚糖微球（CM）（图S2）。为了赋予其止血和成骨双重功能，我们采用了...

结论

在本研究中，我们利用电子束辐照接枝技术制备了具有双重功能的POSS功能化羧甲基壳聚糖微球（CMGP），作为拔牙后创口管理的生物材料平台。CMGP表现出良好的生物相容性和生物降解性，这是临床应用的重要前提。体外和体内凝血实验均显示其优异的止血效果，在大鼠动脉模型中，CMGP使出血量和凝血时间减少了90%以上

作者贡献声明

赵向义：方法学设计、实验实施、数据管理。雷赛：方法学设计、实验实施、数据管理。严敏：方法学设计、实验实施、数据管理。江轩：方法学设计、实验实施。张宇杰：方法学设计、实验实施。刘杰：方法学设计、实验实施。杨梅轩：实验实施。李柳根：实验实施。王晨宇：实验实施。谢聪：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、监督、概念构思。李同飞：写作 – 审稿与...

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（82503818）、湖北省自然科学基金（2025AFD210）和湖北省卫生健康委员会基金（WJ2025Q088、WJ2025Q089）的财政支持。