《Journal of Functional Biomaterials》：Antimicrobial Gelatin Methacryloyl (GelMA)/Bioactive Glass Dental Adhesives
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摘要：口腔疾病，如牙周炎，因其高发病率和显著致残率，仍然是全球关注的主要问题。其主要驱动因素是细菌过度增殖及相关炎症。已知具有45S5生物玻璃?（Bioglass?）组成（BG）的生物活性玻璃因其通过离子释放实现再矿化、成骨和抗菌作用而闻名，但其在口腔环境中的
摘要：口腔疾病，如牙周炎，因其高发病率和显著致残率，仍然是全球关注的主要问题。其主要驱动因素是细菌过度增殖及相关炎症。已知具有45S5生物玻璃?（Bioglass?）组成（BG）的生物活性玻璃因其通过离子释放实现再矿化、成骨和抗菌作用而闻名，但其在口腔环境中的应用受到限制。本研究开发了一种可光固化的甲基丙烯酰化明胶（GelMA）水凝胶，作为BG（1–15% w/v）的载体基质，以协同GelMA的粘接性能与玻璃的生物活性。掺入10% w/v的BG相较于纯GelMA（58 kPa）将极限拉伸强度提高至97 kPa，并将溶胀率降低了18%。该复合材料在胶原片上的粘接强度比单独GelMA高约60%。在胶原片和牙齿切片上的拉伸粘接强度分别达到54 kPa和23 kPa。在胶原和种植体金属上的搭接剪切粘接强度分别为44 kPa和18 kPa。体外研究证实了该复合材料与牙髓干细胞的生物相容性，以及对大肠杆菌（Escherichia coli）和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（methicillin-resistant Staphylococcus aureus）的抗菌活性。总之，GelMA/BG复合材料为牙齿再矿化提供了一个多功能平台，具有优异的机械性能、粘接性能和抗菌性能。
**论文解读：基于可见光交联GelMA/生物活性玻璃复合水凝胶的多功能牙周粘接剂研究**
**1. 研究背景与问题提出**
牙周炎是一种影响牙齿支持组织的慢性炎症性疾病，在成人中患病率约为47%。其主要发病机制源于牙龈组织的细菌定植，进而触发宿主免疫反应，释放炎症介质和基质降解酶，其中基质金属蛋白酶的上调会损害新胶原形成并促进牙周结缔组织内现有胶原纤维的降解。长期炎症可导致牙周韧带破坏和牙槽骨吸收，形成深牙周袋。致病菌在牙周袋内定植增殖，进一步加剧炎症。目前重症牙周炎的治疗主要依赖机械性菌斑清除和全身应用抗生素，但抗生素治疗存在诸多局限，如牙周袋内渗透性差、对生物膜活性有限、潜在的全身副作用及促进抗生素耐药性的风险。因此，亟需开发靶向、局部的治疗策略作为现有方法的补充。
生物活性玻璃（BG），特别是45S5 Bioglass?组成，通过释放离子具有促进再矿化、成骨和抗菌的潜力。然而，其在口腔环境中的滞留性差，颗粒易被唾液、冲洗或刷牙清除。水凝胶，尤其是甲基丙烯酰化明胶（GelMA），因其可调的机械性能和组织粘附特性，适合作为治疗性颗粒递送的载体。尽管GelMA/BG复合体系已有研究，但既往工作主要聚焦于优化体积性能（如作为骨再生的块状水凝胶或3D打印支架），而非粘接性能，且通常使用紫外光交联。其作为在可见光或蓝光固化条件下可注射或原位成型的粘接剂行为，尤其是在湿态下对富含胶原的软组织和牙本质等临床相关基质的粘附性能，尚缺乏系统研究。因此，本研究旨在开发一种可见光固化的GelMA/BG粘接剂体系，并评估BG掺入对整体网络性能和湿态组织粘附的影响。
**2. 研究内容与主要结论**
研究人员开发了一种负载BG的、可见光固化的水凝胶粘接剂，用于封堵牙周袋和种植体-牙龈组织界面。该复合粘接剂在机械性能、湿态组织粘附、生物相容性和抗菌活性方面均展现出优异性能。研究结果表明，10% w/v BG的掺入显著提高了复合材料的极限拉伸强度、降低了溶胀率，并增强了在湿态胶原片上的拉伸粘接强度。该粘接剂对人牙切片和钛合金种植体表面也表现出一定的粘附力，并在7天孵育后于界面上诱导了羟基碳酸磷灰石（HCA）形成，表明具有生物活性整合潜力。体外细胞实验证实了其与牙髓干细胞（DPSCs）的良好生物相容性，抗菌实验则显示其对大肠杆菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）具有剂量依赖性的抑制作用，且对MRSA的抑制效果更为显著。该研究为牙周治疗提供了一种集物理封闭与生物保护于一体的多功能粘接剂平台，是下一代牙周或种植体周应用的候选材料。
**3. 关键技术方法**
本研究主要采用了以下关键技术方法：通过熔融-淬火-球磨法制备45S5 BG颗粒，粒度分析仪测定粒径分布，X射线衍射（XRD）确认其无定形结构及在DMEM中的HCA形成能力；通过甲基丙烯酸酐与明胶反应合成GelMA，核磁共振（1H-NMR）和TNBS法测定甲基丙烯酰化程度（DoM为63.4%）；采用钌/过硫酸钠（Ru/SPS）体系在蓝光（400–450 nm）下引发GelMA/BG复合物交联；利用扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDX）表征微观形貌和元素分布；通过溶胀实验、压缩和拉伸测试及体外粘附实验（拉伸和搭接剪切模式）评估物理机械和粘附性能。人牙本质片样本来自帝国理工学院医疗组织库（ICHTB）。细胞实验使用Lonza购买的牙髓干细胞（DPSCs），通过间接接触活/死染色和直接接触alamarBlue?代谢活性测定评估细胞相容性，并使用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）分析离子释放。抗菌实验采用菌落形成单位（CFU）计数法，测试菌株为大肠杆菌（E. coli, MG1665）和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA, JE2）。
**4. 研究结果**
**4.1 GelMA/BG复合材料的物理表征**
SEM观察显示，冻干的GelMA水凝胶具有互连多孔结构，平均孔径为15.1 ± 11.0 μm。掺入BG后，1BG、3BG和5BG组的平均孔径增大，而10BG组孔径显著减小（21.8 ± 6.7 μm），表明高浓度BG可能形成更致密或更稳定的微结构。元素mapping证实BG颗粒在GelMA基质中均匀分散。溶胀实验表明，BG的掺入显著降低了水凝胶的溶胀率，其中10BG组在7天后溶胀率较0BG组降低约18%。机械测试显示，BG的掺入对压缩模量和低应变下的弹性模量无显著影响，但10BG组的极限拉伸强度显著提高至96.8 ± 24.9 kPa，而0BG组为58.0 ± 9.5 kPa。进一步增加BG含量至15%，拉伸强度反而降至64.5 ± 21.4 kPa，表明10% w/v为最优浓度。
**4.2 GelMA/BG粘接剂的拉伸和搭接剪切粘附特性**
在湿态胶原片上的拉伸粘附测试中，10BG组展现出显著高于其他组的粘接强度（54.1 ± 11.3 kPa），约为0BG组（27.3 ± 9.0 kPa）的两倍。而15BG组粘接强度降低（24.9 ± 7.5 kPa），失效模式由内聚破坏转为粘附破坏。在人牙切片上的拉伸粘接测试中，0BG和10BG组的即刻粘接强度无显著差异，且在7天孵育后强度保持稳定。XRD分析证实，10BG复合物在孵育后形成了明显的HCA特征峰，且粘附于牙齿一侧的HCA峰更为突出，表明BG介导了界面矿化。搭接剪切测试显示，BG的掺入对胶原片上的剪切强度提升不显著，但在钛合金（Ti6Al4V）表面，10BG组的剪切强度显著高于0BG组（17.7 ± 3.3 kPa vs. 11.9 ± 4.4 kPa），表明BG改善了无机表面的界面粘接。
**4.3 GelMA/BG复合材料的体外细胞毒性评估**
间接接触培养条件下，所有GelMA/BG组均维持了高于85%的细胞活力，符合ISO-10993-5/12的非毒性标准。直接接触培养中，1BG组在第7天展现出最高的代谢活性，促进了DPSCs的增殖；而BG浓度≥3%的组在初期表现出抑制作用，但随时间推移细胞活性均有恢复。研究表明，高浓度BG导致的pH升高和离子释放是初期抑制细胞代谢的主要原因，而低浓度BG（1BG）可能通过持续的Ca2?和Si离子释放促进细胞增殖。
**4.4 针对大肠杆菌和MRSA的体外抗菌实验**
CFU计数结果显示，所有含BG的粘接剂均能有效抑制E. coli和MRSA的增殖。对E. coli，3BG和10BG组在1天后分别实现了1.00和1.14个log的减少。对MRSA，抑制作用更为显著，3BG组在1天后实现了2.46个log的减少。为期2天的实验表明，抗菌效果具有持续性。与游离BG颗粒相比，包封于GelMA基质中的BG（特别是在3BG和10BG组）对MRSA展现出更强的抗菌效能，表明GelMA基质有助于BG颗粒在界面处的滞留和持续离子释放。
**5. 讨论与结论**
本研究系统探究了BG掺入对GelMA水凝胶粘接剂性能的影响。讨论部分指出，BG的掺入通过多种机制增强了材料性能：其释放的Ca2?离子可作为物理交联点，增强网络结构完整性并降低溶胀；在拉伸粘附测试中，BG诱导的碱性微环境和Ca2?离子释放促进了与组织界面的共价或离子键合，从而显著增强粘接强度；在钛合金表面，BG通过提高局部pH和Ca2?桥接作用改善了界面粘接。尽管高浓度BG在初期对细胞代谢有抑制作用，但GelMA基质可起到缓冲作用。抗菌活性主要归因于BG溶解产生的碱性环境和离子释放，且对MRSA的效果优于E. coli，这可能与细菌的粘附特性和细胞壁结构差异有关。该粘接剂可与在碱性环境下活性增强的抗生素（如庆大霉素）产生协同作用，有望降低抗生素用量和耐药风险。
研究结论：本研究开发了一种多功能GelMA/BG水凝胶粘接剂，通过可见光交联能在湿润富含胶原的组织上形成牢固粘接。该复合材料展现出持久的机械粘接性能、与牙髓干细胞的细胞相容性，并通过包埋BG颗粒发挥对大肠杆菌和MRSA的剂量依赖性抗菌活性。这些综合性能解决了牙周治疗中的关键挑战，实现了对受影响部位的物理封闭和生物保护，是下一代牙周或种植体周应用的强有力候选材料。该论文发表于《Journal of Functional Biomaterials》。
