《Carbohydrate Polymer Technologies and Applications》：Stably Structured Strontium-Cobalt Bimetallic MOF-Loaded Guar Gum for Alveolar Bone Repair
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牙周炎是一种由细菌诱导的慢性炎症性疾病，可导致牙齿支持结构的进行性破坏。当前主要的治疗方式，如局部机械清创和抗生素递送，不仅难以有效清除顽固性细菌生物膜，而且在再生受损牙周组织方面也面临挑战。在此，研究人员整合了金属有机框架（MOFs）和水凝胶的
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牙周炎是一种由细菌诱导的慢性炎症性疾病，可导致牙齿支持结构的进行性破坏。当前主要的治疗方式，如局部机械清创和抗生素递送，不仅难以有效清除顽固性细菌生物膜，而且在再生受损牙周组织方面也面临挑战。在此，研究人员整合了金属有机框架（MOFs）和水凝胶的优势，通过将锶-钴双金属有机框架（Sr-ZIF-67）掺入阳离子瓜尔胶（CG）基质中，构建了一种可注射的纳米复合水凝胶。该可注射水凝胶可轻松递送至牙周袋深处，实现高局部药物浓度，同时避免促成抗生素耐药性。该纳米复合水凝胶表现出强效的抗菌活性，并提供了稳定的微环境，在体外支持人牙周膜干细胞（hPDLSCs）的活力、增殖、迁移和成骨分化。在实验性大鼠牙周炎模型中评估时，该纳米复合水凝胶有效促进了牙槽骨高度缺损的修复，显示出对牙周炎的治疗益处。总体而言，Sr-ZIF-67兼具抗菌和成骨特性，为牙周炎的治疗提供了一种有前景的策略。
一、研究背景与问题
牙周炎是最常见的慢性炎症性疾病之一，主要由细菌感染引发。牙菌斑微生物及其代谢产物首先诱导软组织炎症反应，随后炎症进展至深层牙周组织，最终导致牙槽骨吸收。当前临床治疗牙周炎的主要策略包括机械清创、抗生素治疗、抗菌光动力疗法和激光治疗，这些方法主要旨在消除致病因素并阻止牙周炎进展，但往往无法充分解决已吸收牙槽骨再生的关键难题。值得注意的是，口腔微生物组失调已被确定为牙周炎发病和进展的核心驱动因素之一。因此，理想的牙周治疗策略不仅应消除致病菌，还应恢复局部微生态平衡并为组织再生创造有利的微环境。
药物递送系统（DDS）旨在提高治疗药物的生物利用度、靶向特异性和安全性。金属有机框架（MOFs）因其超高比表面积、可调孔径、多样的结构拓扑和易功能化等独特优势，已成为DDS领域有前景的材料类别。在牙周治疗背景下，MOFs因其pH敏感降解特性而特别具有吸引力，这与发炎牙周袋特有的酸性微环境高度契合。ZIF-67作为一种MOF材料，具有优异的pH响应性，能够在牙周炎微环境中实现Co离子的可控释放，提供抗菌和促成骨的双重益处。然而，ZIF-67的生物相容性和离子释放的长期调控仍需改进。因此，本研究引入锶离子（Sr2?）进行修饰——Sr2?已被证明具有显著的骨代谢调节作用，可协同增强材料的成骨活性并减轻单一金属离子相关的潜在生物学风险。
多糖水凝胶因其固有的生物相容性、生物可降解性、低免疫原性和结构多样性而在生物医学研究中受到广泛关注。阳离子瓜尔胶（CG）作为一种水溶性多糖，被选为本研究的凝胶基质，基于以下考量：其高流动性可实现牙周袋复杂解剖结构的深层微创递送；其季铵基团赋予的阳离子特性可与带负电的细菌细胞膜发生静电相互作用，贡献内在抗菌活性；其丰富的羟基可通过席夫碱或静电相互作用形成动态自愈合网络，无需化学交联剂，确保良好的生物相容性和生物降解性。
二、研究目的与设计思路
本研究旨在调控阳离子瓜尔胶（CG）支架以获得能够促进牙周骨再生的安全医疗器械。研究假设将Sr-ZIF-67掺入CG水凝胶能够在牙周炎微环境中实现金属离子的pH响应性和持续释放，从而对牙龈卟啉单胞菌发挥抗菌作用并促进牙槽骨的成骨再生。据研究人员所知，这是首次将锶掺杂沸石咪唑酯框架（Sr-ZIF-67）协同整合到CG水凝胶中用于牙周炎治疗，在单一可注射平台内实现抗感染和促成骨的双功能协同。该研究超越了材料性质表征，阐明了Sr增强纳米颗粒稳定性的机制基础，涉及表面/间隙掺杂而非晶格取代。Sr修饰的ZIF-67（Sr-ZIF-67）具有pH敏感性和结构稳定性，能够智能响应牙周炎微环境实现Co2?的持续释放。CG的高流动性便于水凝胶轻松深入地递送至牙周袋。作为抗菌剂，释放的金属离子可直接消除入侵的牙周致病菌并抑制牙龈卟啉单胞菌生物膜形成。在骨组织修复方面，释放的金属离子促进成骨细胞增殖和分化，同时抑制破骨细胞活性，从而促进体内牙槽骨修复。
三、主要关键技术方法
研究人员采用一锅法合成了Sr-ZIF-67纳米颗粒，通过将不同浓度硝酸锶加入含2-甲基咪唑和硝酸钴的甲醇溶液中进行反应。将Sr-ZIF-67粉末按与CG不同质量比分散后加入CG溶液中搅拌形成均质水凝胶，经综合评估选定1:10为最优配比。表征手段包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）和Zeta电位分析。体外实验采用人牙周膜干细胞（hPDLSCs）评估生物相容性和成骨潜能，通过CCK-8、Live/Dead染色、碱性磷酸酶（ALP）活性检测、茜素红S（ARS）染色和实时定量PCR（qPCR）评估细胞增殖和成骨分化。抗菌实验针对牙龈卟啉单胞菌和伴放线聚集杆菌，采用生长曲线监测、菌落计数、Live/DEAD染色、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和透射电镜（TEM）评估抗菌和抗生物膜活性。体内实验采用结扎联合牙龈卟啉单胞菌接种诱导的大鼠牙周炎模型，通过micro-CT、Masson三色染色和免疫组化（IHC）染色评估治疗效果。
四、研究结果
4.1 锶离子成功掺入ZIF-67框架且结构完整性保持
SEM和TEM观察显示ZIF-67和Sr-ZIF-67均呈现均匀、轮廓分明的菱形十二面体结构，证明ZIF-67结构保持良好。锶离子的掺入使平均粒径从约403.5±22.36 nm（ZIF-67）减小至312.1±25.8 nm（Sr-ZIF-67）。元素分布图显示C、Co、N、O和Sr在Sr-ZIF-67颗粒中均匀分布。XRD分析确认两种材料均具有高结晶度和相纯度，Sr掺入后衍射峰基本不变，表明晶体框架得以保持，但峰强度降低和宽化提示锶掺杂抑制了晶体生长。FTIR和XPS进一步验证了锶的成功负载。Zeta电位从-5.6±0.5 mV变为-15.6±0.6 mV，表明Sr掺入后稳定性增强。Sr2?优先占据间隙位置或终止于纳米颗粒表面，通过钝化表面缺陷、改变表面化学和空间位阻三种互补效应稳定纳米颗粒。
4.2 Sr-ZIF-67掺杂增强阳离子瓜尔胶力学性能
Sr-ZIF-67的掺入使水凝胶孔径从518.4±57.6 μm显著细化至87.4±16.3 μm，形成更致密有序的网络。平衡溶胀率从22.5±0.4 g/g降至15.2±0.56 g/g，归因于交联密度增加。复合水凝胶表现出优异的保水能力。两种水凝胶在PBS中浸泡12-14天后完全降解，与Sr2?和Co2?的释放持续时间及牙槽骨再生周期相匹配。流变学测试表明CG/Sr-ZIF-67水凝胶具有典型的粘弹性固体行为、剪切变稀特性和优异的自愈合性能，溶胶-凝胶转变在三个连续循环中可重复。pH响应性释放实验显示，在pH 5.5条件下，Sr2?和Co2?的累积释放量显著高于pH 7.4条件，确认了系统的pH响应特性。
4.3 CG/Sr-ZIF-67的生物相容性和成骨活性
通过浓度梯度实验确定0.04 mg/mL为最优工作浓度，该浓度下细胞活力超过100%（约119.4%），表明Sr2?和Co2?的持续释放积极促进hPDLSCs增殖。Live/Dead染色和细胞骨架染色证实了各组别的生物安全性。成骨评估显示，CG/Sr-ZIF-67组在第7天ALP活性显著增强，第21天出现更广泛的矿化结节和更高的整体矿化程度。RT-qPCR分析显示CG/Sr-ZIF-67显著上调骨钙素（OCN）和runt相关转录因子2（Runx2）等关键成骨标志物。Sr2?通过激活经典Wnt/β-catenin等信号通路直接刺激成骨相关基因表达，而Co2?可能模拟缺氧微环境稳定HIF-1α蛋白，间接上调血管内皮生长因子（VEGF）等基因表达，创造有利于骨再生的血管化条件。
4.4 CG/Sr-ZIF-67的固有抗菌特性
CG/Sr-ZIF-67在0.04 mg/mL浓度下对伴放线聚集杆菌的杀菌率达92.9±1.3%，对牙龈卟啉单胞菌达90.7±1.6%。抗菌机制涉及双重作用模式：CG上的季铵基团与带负电的细菌膜相互作用促进细菌黏附和破坏；释放的金属离子破坏细胞离子稳态和膜完整性；MOF结构可内化进入细菌细胞，其有机配体螯合细胞内必需阳离子，促进活性氧（ROS）产生，导致DNA断裂等氧化损伤。CLSM三维重建显示CG/Sr-ZIF-67有效破坏生物膜结构完整性，显著减少相对生物体积。TEM观察显示处理组细菌出现严重结构损伤，包括细胞壁破裂、细胞质泄漏和整体崩解，并观察到Sr-ZIF-67纳米颗粒被细菌内化。
4.5 体内牙周骨重塑和骨诱导活性
在大鼠慢性牙周炎模型中，micro-CT分析显示CG/Sr-ZIF-67治疗组牙槽骨丧失距离显著减少，骨体积分数（BV/TV）达60.2±1.04%，骨小梁数量（Tb.N）达2.06±0.12 1/mm，均显著高于CG组。Masson三色染色显示CG/Sr-ZIF-67组形成致密均匀的胶原网络。免疫组化染色显示CG/Sr-ZIF-67组ALP和Col-1表达最强。生物安全性评估显示无器官损伤或全身毒性迹象，所有关键血液参数均在正常范围内。
五、讨论与结论
该研究将MOFs和多糖水凝胶的互补优势整合为可注射纳米复合系统。CG基质与Sr-ZIF-67的正确组合为实现牙周袋深层微创递送同时避免抗生素耐药性开辟了新可能性。该复合策略不仅拓宽了多糖在口腔炎症中的生物医学应用，还支持开发具有双重抗菌和成骨功能的个性化感染响应材料。CG/Sr-ZIF-67水凝胶克服了传统牙周炎治疗的主要局限，如生物膜清除不佳、组织穿透不足和缺乏骨再生能力。Sr-ZIF-67纳米颗粒的原位增强赋予水凝胶良好的可注射性、可变形性和力学强度。锶离子通过促进hPDLSCs增殖和增强成骨分化发挥成骨作用。持续、pH响应的离子释放策略可能启发未来结合感染控制与组织再生的智能水凝胶设计。体外和体内结果均表明，这些调控的CG/Sr-ZIF-67支架可作为牙周炎治疗临床转化的有价值候选材料。
