压电g-C3N4/rGO异质结重塑牙周炎免疫微环境以促进神经血管-骨耦合骨结合

《Materials Today Bio》：Piezoelectric g-C 3N 4/rGO heterojunction remodels the periodontitis immune microenvironment to promote neurovascular–bone coupled osseointegration

　　

牙齿缺失常由牙周炎所致，需行牙种植修复；然而牙周炎患者种植成功率显著低于健康个体。一方面，生物膜定植损害种植体早期骨结合；另一方面，牙周炎相关慢性炎性微环境破坏种植体长期稳定性。因此，亟需一种兼具抗菌与成骨微环境调控功能的策略，以促进牙周炎患者种植体早期骨结合与长期稳定。研究人员采用g-C3N4（石墨相氮化碳）与rGO（还原氧化石墨烯）构建二维纳米异质结，制备压电导电水凝胶（CN/rGO），用于牙周炎患者种植修复。超声刺激下，CN/rGO水凝胶在种植体周围产生压电场：早期发挥抗菌作用促进初始骨结合；长期调控免疫微环境，进而促进神经血管再生并增强持续骨结合。值得注意的是，抑制JAK-STAT信号通路在CN/rGO介导的巨噬细胞表型调控及炎性微环境逆转中发挥关键作用。这种早期压电抗菌与长期成骨微环境调控相结合的协同策略，对提升牙周炎患者种植体早期骨结合与长期稳定性具有重要意义。该压电异质结设计在炎症条件下促进种植体周围神经血管引导的骨再生，为改善牙周炎患者种植成功率、预防种植体周围炎及提升牙种植体全周期服役性能提供可行途径。

研究背景：牙周炎致牙周支持结构破坏与失牙，严重影响咀嚼与消化吸收，为全球第六高发疾病；中国35岁以上成人重度牙周炎患病率约30.6%，60%–70%全口无牙颌由其进展所致。牙周炎患者口腔菌群失调、局部生物膜堆积及慢性炎性微环境，易导致种植体早期骨结合不足、种植体周围炎乃至晚期松动。传统治疗（抗生素、洁治、骨增量）受限于生物膜清除不全与牙槽骨高度维持困难。天然牙含牙周膜与神经支配，可提供咬合负荷反馈调节骨改建；种植体缺牙周膜与感觉神经，负载感知丧失（骨感知不良），神经血管骨重塑信号不足，且炎症级联抑制骨髓间充质干细胞（BMSCs）成骨分化并加剧神经血管再生缺陷。因此亟需同时具备抗菌、免疫微环境调控与神经血管再生促进的策略。

该研究由南方医科大学口腔医院（Stomatological Hospital, School of Stomatology, Southern Medical University）Chao Zhang等开展，发表于《Materials Today Bio》。研究人员构建载CN/rGO二维纳米异质结的导电可注射水凝胶，提出“早期压电抗菌-长期免疫调控”时空协同范式：超声激活下异质结产生压电场与羟基自由基（·OH），短期杀灭牙周致病菌与生物膜；长期经抑制巨噬细胞JAK-STAT通路促M1向M2转化，借旁分泌神经营养因子（BDNF、TGF-β、PGE2）、血管生成因子（VEGF、FGFs）及成骨诱导因子（BMP-2、TGF-β）驱动神经-血管-骨耦合再生。大鼠牙周炎种植模型（术后1–14天每日超声1.0 MHz、1.5 W cm^-2、50%占空比10分钟，15天后停超声观察至8周）证实该体系抑制局部炎症、提升CGRP⁺感觉神经与CD31⁺新生血管密度、提高骨体积分数（BV/TV）并改善骨结合，核心机制为JAK-STAT抑制。研究为牙周炎病理条件下种植修复提供无金属、可注射、压电-免疫-组织再生三重耦合的新材料路径。

主要关键技术方法：研究人员通过优化rGO质量分数（10%、15%、20%）选定15 wt%构建CN/rGO异质结，经TEM、XRD、FT-IR、XPS及第一性原理计算表征界面π-共轭与Type-II电子转移；以PVA-tsPBA动态硼酸酯网络负载PEDOT与0.5 wt% CN/rGO制可注射自愈合导电压电水凝胶，经流变、溶胀、降解与压电电流输出评价；体外用LPS诱导RAW 264.7巨噬细胞炎症模型，结合RNA-seq锁定JAK-STAT通路，以JAK1激活剂TP1L与抑制剂Upadacitinib做增益/缺失验证；借条件培养基（CM）间接共培养区分材料直接作用与巨噬旁分泌作用，考察PC12、三叉神经节神经元、HUVEC、BMSCs的神经发生、成管、成骨分化；体内采用大鼠诱导性牙周炎即刻种植模型（样本队列为SD大鼠），Micro-CT、免疫荧光、H&E、Masson多维评估。

研究结果：

2.1 CN/rGO压电异质结构表征：TEM见rGO/CN清晰界面，XRD/FT-IR/XPS证π-π堆积与O–H?N氢键结合，PFM蝴蝶曲线振幅高于纯CN，ESR与亚甲基蓝降解证超声下·OH生成显著增强，15 wt% rGO达催化与导电最优平衡。

2.2 CN/rGO水凝胶制备与表征：PVA/tsPBA/PEDOT体系具剪切稀化、可注射、自愈合、12小时溶胀率22.77%、15天失重31.25%；0.5 wt%加载时巨噬活性>90%且压电电流随超声强度上升；皮下植入2周降解，溶血与主要脏器H&E无异常。

2.3 导电压电声敏水凝胶杀菌活性与机制：对P. gingivalis、F. nucleatum、S. aureus及混合生物膜，超声下CN/rGO组杀菌率约90.79%、抗生物膜率>80%，SEM见膜破裂胞质泄漏，归因压电-ROS级联穿透胞外多糖屏障。

2.4 CN/rGO水凝胶调控免疫微环境：LPS炎症模型中，第3天CN/rGO+US暂升iNOS（M1）助清菌，第7天iNOS降、Arg-1升，流式CD206⁺增多，TNF-α/IL-6/IL-1β下调、Arg-1/IL-10上调，实现M1→M2时序转换。

2.5 CN/rGO调控免疫微环境机制：RNA-seq示181上调254下调基因，KEGG突出JAK-STAT；Western与PCR证CN/rGO+US降p-JAK1/p-STAT1，TP1L逆转M2、Upadacitinib恢复M2，确证JAK-STAT抑制为核心。

2.6 CN/rGO经免疫调控促感觉神经发生：CN/rGO+US-CM促PC12迁移、三叉神经元轴突长达25.15±7.84 μm，ELISA示BDNF/TGF-β/PGE2升高，Ca²⁺荧光恢复，WB证CGRP/SP/p-CaMKII/p-CREB上调，KN-93/KG-501抑制之，链为巨噬→CaMKII/CREB→神经肽。

2.7 CN/rGO经免疫调控促血管生成：CN/rGO+US-CM促HUVEC迁移与Matrigel成管（总长、分支、网孔优于直触组），内皮BMP-2/PDGF-BB/ET-1及巨噬VEGF/FGFs分泌升高，免疫旁分泌优于直接材料刺激。

2.8 CN/rGO水凝胶促BMSCs成骨分化：CN/rGO+US-CM组ALP/ARS染色最深，ALP/OCN/RUNX2转录最高，BMP-2/TGF-β分泌最高，间接免疫调控强于直接压电刺激。

2.9 体内种植骨结合效应：大鼠牙周炎种植模型1周炎因子（IL-6/TNF-α/IL-1β）回降，2周Arg-1⁺巨噬增多（TP1L抵消），4周种植体表面CFU降低、CGRP⁺神经与CD31⁺血管最密，8周Micro-CT的BV/TV最高、H&E/Masson胶原与新骨最多，停超声后M2旁分泌延续再生。

讨论与结论翻译：本研究构建载CN/rGO二维纳米异质结的压电导电水凝胶，在病理条件下实现“早期抗菌-长期免疫调控”协同以促进种植骨结合。借助高效载流子分离与超声介导ROS生成，水凝胶以“压电-ROS”级联清除致病菌与生物膜，同时精确调控巨噬极化（早期M1、后期M2），经旁分泌促神经发生、血管生成与成骨分化。大鼠牙周炎种植模型验证超声驱动CN/rGO水凝胶有效抑炎、增强种植体周围神经发生与血管生成、促进新骨形成与骨结合。机制研究确立JAK-STAT信号抑制为其巨噬极化与免疫成骨调控核心。综上，该CN/rGO压电导电水凝胶实现早期抗菌与长期组织再生时空协同，为提升牙周炎患者牙种植修复成功率提供可行新路径。