可降解聚硫辛酸基粘合剂实现可调控抗菌活性与可控氢气释放以促进种植体周围软组织整合

《Biomaterials》：Biodegradable Poly(lipoic Acid)-Based Adhesive Orchestrates Tunable Antibacterial Activity and Controlled H 2 Release for Peri-Implant Soft Tissue Integration

　　

摘要

种植体周围软组织整合因炎症微环境而严重受损，往往导致种植体失败。然而，由于钛（Ti）的生物惰性，调节此微环境的有效策略仍然有限。在此，我们提出了一种基于硫辛酸的多聚抗菌聚合物（pLAP），其能够实现可控的分子氢（H₂）释放，从而针对这一关键挑战同时实现抗菌和促再生效果。pLAP 表现出强效的抗菌活性，对金黄色葡萄球菌和牙龈卟啉单胞菌的杀菌效率分别达到 90.71% 和 94.62%。值得注意的是，pLAP 对基底的强粘附性及其对细菌膜的亲和力促成了其持久且持续的抗菌性能。由于负载 H₂ 的 TiO₂ 纳米管被封装在 pLAP 中及其固有的生物降解性，实现了延迟且持续的 H₂ 释放曲线，H₂ 水平在 24 小时内升至 427 ppb，并持续保持在 300 ppb 以上至少 72 小时。体外和体内研究表明，释放的 H₂ 缓解了氧化应激并调节免疫反应，与这些效果相关的有 JAK1-STAT1 通路的抑制和 JAK3-STAT6 通路的激活，促进 M2 极化并增强软组织整合。总之，这项工作提出了一种稳健且可推广的策略，用于调节种植体周围炎及其他种植体相关炎症状态的炎症微环境。

引言

种植体周围炎的炎症微环境是导致种植体周围组织再生受损并最终种植体失败的关键因素 [1], [2], [3]。该病理状况通常由细菌侵入引发，并且由于与天然牙齿周围组织相比，种植体周围组织的血管化较弱且胶原纤维排列减少而进一步加剧 [4], [5], [6]。一旦细菌定植于种植体表面，巨噬细胞被募集以吞噬入侵的路原，主要发生 M1 极化并伴随释放大量促炎细胞因子 [7], [8], [9]。此外，免疫反应的激活导致活性氧（ROS）过度生成，这不仅会诱导种植体周围组织的氧化损伤，还会损害巨噬细胞 M2 极化，从而阻碍后续组织再生 [10], [11]。统计分析表明，种植体周围炎的发病率约为 22%，一旦发生该状况，据报道种植体拔除率高达 65%，凸显了炎症过程的破坏性 [1], [2], [12]。然而，目前广泛使用的钛（Ti）种植体具有生物惰性，因此在应对复杂炎症环境中很大程度上无效。临床上应用的治疗，如清创和抗生素治疗，可以部分减少细菌负荷，但对于促进种植体周围组织再生是不够的。此外，长期使用抗生素引发了对细菌耐药性的担忧 [13], [14], [15]。这凸显了开发能够重塑炎症微环境的种植体周围炎治疗策略的必要性，该策略不仅能根除细菌感染，还能积极促进后续组织再生 [16]。

钛种植体表面改性是重塑种植体周围炎症微环境的有效策略，并已开发出多种生物活性表面工程策略以增强种植体的生物性能 [17]。特别是，已在光滑钛基底上构建了多种微/纳结构架构，包括纹理化、多孔和纳米管表面，为后续功能化提供结构基础 [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24]。例如，Sun 等人通过 3D 打印创建了一个模块化多孔钛种植体，以实现 QK 肽的梯度分布，从而增强血管生成和骨整合 [19]。在这些改性中，TiO₂ 纳米管（TNT）阵列因其高药物负载能力和多功能化潜力而特别引人注目。基于此平台，已开发了几种种植体表面改性策略来调节炎症微环境，包括负载治疗剂以赋予抗菌活性同时促进骨整合的 TNTs [25], [26], [27]。特别是，气态信号分子因其良好的安全性能和高生物效能而备受关注 [28], [29], [30], [31]。值得注意的是，分子氢（H₂）已在种植体周围炎症微环境中展现出卓越的抗氧化和免疫调节效果，显著促进组织再生 [32]。然而，与其他供体分子类似，H₂ 供体往往表现出不可控的释放行为，如爆发释放，这限制了它们在种植体周围炎等状况的长期治疗中的应用。此外，H₂ 缺乏固有的抗菌特性。大量关于可控气态分子释放的研究表明，聚合物封装是控制释放行为的有效策略 [33], [34]。通过限制供体分子，聚合物封装可以调节其释放，并且聚合物层可以进一步功能化以赋予抗菌活性和环境响应性等特点。例如，我们之前设计了一种含有苯硼酸酯的聚合物来封装一氧化氮供体，通过聚合物降解实现按需释放 [35]。在本工作中，我们遵循聚合物封装策略，合成了一种含有二硫键的可生物降解聚合物。此外，我们将封装聚合物功能化为具有抗菌性能。通过将 H₂ 供体封装在此改性聚合物中，我们旨在实现可控 H₂ 释放和抗菌功能的高度集成，从而推进种植体周围炎症微环境的重塑。

在此，设计并合成了一种基于硫辛酸的多聚抗菌聚合物（pLAP）来封装负载 H₂ 供体的 TNT（H₂@TNT），从而构建了一种具有联合抗菌活性和持续 H₂ 释放的双功能粘合剂（H₂@TNT//pLAP），以增强组织再生。具体而言，硫辛酸（LA）经氨基和苯基功能化，随后以不同比例进行开环聚合以获得 pLAP（Scheme 1）。氨基通过与细菌细胞膜的静电相互作用发挥抗菌活性，而苯基通过疏水相互作用增强细菌亲和力，协同提高抗菌效能 [36], [37], [38]。体外抗菌测定证实了对金黄色葡萄球菌和牙龈卟啉单胞菌的抗菌率分别约为 90.71% 和 94.62%。H₂ 供体被负载到 TNT 中并由 pLAP 封装，构建 H₂@TNT//pLAP 以整合抗菌和促再生功能用于种植体周围炎症微环境重塑（Scheme 1）。由于 pLAP 在生理条件下缓慢降解，H₂ 释放动力学表明 pLAP 有效封装了 H₂ 同时实现了其持续释放。与 H₂@TNT 相比，H₂@TNT//pLAP 表现出缓慢且持续的 H₂ 释放，在 24 小时内达到峰值 427 ppb 并将 H₂ 浓度维持在 300 ppb 以上超过 72 小时。相比之下，未封装样品显示出不可控的爆发释放，在 1 小时内达到峰值浓度 732 ppb 随后迅速耗尽。抗氧化和免疫调节评估进一步证实，释放的 H₂ 有效清除了 ROS 并促进了巨噬细胞 M2 极化。重要的是，大鼠种植体周围炎症模型验证了 H₂@TNT//pLAP 体内的显著疗效。总之，实验结果表明 H₂@TNT//pLAP 实现了种植体周围炎的顺序治疗策略，从有效根除细菌到组织再生。与传统的机械清创和单功能表面改性相比，H₂@TNT//pLAP 同时解决细菌感染和失调的炎症微环境。此外，其无抗生素设计消除了诱导细菌抗生素耐药性的潜在风险。

章节片段

材料

α-硫辛酸（LA）、苯甲醇、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺（盐酸盐）（EDCI）、4-二甲氨基吡啶（DMAP）、氟化铵（NH₄F）和氨硼烷（AB）购自阿拉丁试剂（上海）有限公司。乙二胺、1,1-羰基二咪唑（CDI）、乙二醇、氯仿、二氯甲烷、甲醇（MeOH）、四氢呋喃（THF）和氘代氯仿（CDCl₃）购自上海泰坦 Scientific 有限公司。钛（Ti）片（99.9 wt% Ti，10

H₂@TNT//pLAP 的制备与表征

本研究设计并合成了一种基于硫辛酸的多聚抗菌聚合物（pLAP），以在炎症微环境中封装分子氢（H₂）供体的同时发挥初始抗菌活性。当发生种植体周围炎时，pLAP 中的氨基在炎症微环境中质子化，通过破坏细菌细胞膜结构高效杀死细菌。pLAP 中的苯基与细菌细胞疏水相互作用

结论

在本研究中，我们设计了一种可生物降解的基于硫辛酸的粘合剂 H₂@TNT//pLAP，通过无缝整合抗菌和促再生特性，有效重塑炎症微环境，并为整个种植体周围炎过程提供全面管理。具体而言，硫辛酸通过与氨基化和苯基化修饰的定制比例聚合形成抗菌聚合物 pLAP，该聚合物用于封装负载 H₂ 的 TiO

CRediT 作者贡献声明

Zishuo Hou: 撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法论，调查，形式化分析，概念化。Yue Yuan: 可视化，验证，方法论，调查。Gangfeng Li: 方法论，调查。Haowei Peng: 调查。Jiena Weng: 资源，方法论。Hongbo Wei: 资源，方法论，概念化。Tengjiao Wang: 撰写 – 审阅与编辑，监督，资源，方法论，资助获取，形式化分析，

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的 competing 经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作由国家自然科学基金（编号：52473148 和 52473265），陕西省重点研发计划（编号：2024SF-YBXM-438），陕西省杰出青年科学基金（编号：2023-JC-JQ-32）提供资金支持。

Zishuo Hou|Yue Yuan|Gangfeng Li|Haowei Peng|Jiena Weng|Hongbo Wei|Tengjiao Wang|Peng Li

柔性电子全国重点实验室 (LOFE) & 柔性电子研究所 (IFE), 陕西省柔性电子重点实验室 & 工信部柔性电子重点实验室 (KLoFE), 西北工业大学 (NPU) 西安生物医学材料与工程研究所 (IBME), 中国，陕西，西安，710072