牙齒完整性對維持口腔及全身健康至關(guān)重要。牙本質(zhì)退化是臨床常見問題，暴露的牙本質(zhì)小管成為刺激物和病原體的直接通道，引發(fā)疼痛、炎癥甚至不可逆的牙髓損傷。盡管仿生礦化技術(shù)為牙本質(zhì)再生帶來希望，但其臨床應(yīng)用仍面臨膠原降解、礦物前體傳遞效率低及牙髓-牙本質(zhì)復(fù)合體功能恢復(fù)不足等多重挑戰(zhàn)。

近日，武漢大學黃翠教授、郭景梅主治醫(yī)師研究通過光交聯(lián)甲基丙烯?；疘型膠原（ColMA）與甲基丙烯酰化聚丙烯酸穩(wěn)定的無定形磷酸鈣（PMA@ACP），成功構(gòu)建了一種名為ColPMA@ACP的生物仿生水凝膠，該材料能夠在光照下自發(fā)誘導膠原纖維內(nèi)礦化，有效封閉牙本質(zhì)小管，恢復(fù)牙本質(zhì)機械性能，并促進修復(fù)性牙本質(zhì)形成，為牙本質(zhì)缺損修復(fù)提供了全新的最小侵入性治療策略。相關(guān)論文以“Engineering a Biomimetic DentinLayer via Light-Responsive Self-Mineralizing Collagen Matrix for Dentin Repair”為題，發(fā)表在

Advanced Functional Materials

研究人員首先合成了光交聯(lián)聚合物PMA，并通過酰胺化反應(yīng)引入雙鍵，使其具備可控的光交聯(lián)能力。FTIR和NMR分析證實了PMA的成功合成，其與ACP結(jié)合后形成的PMA@ACP在低溫電鏡下呈現(xiàn)簇狀無定形結(jié)構(gòu)，zeta電位分析表明其表面電荷顯著提高，有利于礦物離子的穩(wěn)定和后續(xù)礦化過程。相比之下，未穩(wěn)定的磷酸鈣溶液則出現(xiàn)明顯晶體轉(zhuǎn)變。

示意圖1. ColPMA@ACP通過光交聯(lián)ColMA與PMA@ACP形成的示意圖及其在缺陷牙本質(zhì)治療中的協(xié)同作用。A) ColPMA@ACP的合成過程示意圖；B) ColPMA@ACP對缺陷牙本質(zhì)再礦化效果的示意圖；C) ColPMA@ACP通過牙髓-牙本質(zhì)復(fù)合體促進牙本質(zhì)修復(fù)與再生的多功能示意圖。

圖1. PMA與PMA@ACP的合成與表征。A) PMA與PMA@ACP合成示意圖；B) AEMA、PAA和PMA的FTIR光譜；C) AEMA、PAA和PMA的1HNMR譜圖；D) PMA@ACP的冷凍電鏡圖像；E) CaP溶液的冷凍電鏡圖像；F) AEMA、PAA、PMA、CaP和PMA@ACP的Zeta電位。

進一步實驗表明，PMA@ACP能夠在4小時內(nèi)誘導重組膠原發(fā)生纖維內(nèi)礦化，TEM和EDS分析顯示鈣、磷元素沿膠原長軸富集，SAED和HRTEM證實羥基磷灰石晶體沿膠原定向生長。共聚焦顯微鏡三維成像進一步揭示了礦物質(zhì)不僅沉積在膠原表面，還深入其內(nèi)部。通過光交聯(lián)策略，ColMA與PMA形成共價連接，顯著提高了礦化效率和空間控制的精確性。

圖2. PMA@ACP介導的重組ColMA纖維的纖維內(nèi)礦化。A) 經(jīng)PMA@ACP礦化4小時的ColMA纖維的EDS元素分布、SAED圖譜；B) HRTEM圖像；C) 礦化2天后ColMA纖維內(nèi)鈣的空間分布三維共聚焦圖像；D) 有無PMA@ACP光交聯(lián)下礦化ColMA纖維的TEM和SEM圖像；E) SEM-拉曼映射圖像；F) AFM形貌與DMT模量映射圖像；G) ColPMA@ACP水凝膠合成過程示意圖；H) 自礦化3天后ColPMA@ACP的FESEM圖像；I) EDS元素分布圖像；J) 礦化后ColPMA@ACP的XPS譜圖，包括P 2p和Ca 2p譜。

研究團隊還開發(fā)了可注射的ColPMA@ACP水凝膠，該材料在藍光照射下迅速交聯(lián)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在72小時內(nèi)實現(xiàn)自發(fā)礦化。流變學測試顯示其儲能模量顯著提升，F(xiàn)ESEM和XPS分析證實了羥基磷灰石的形成。該水凝膠在體外牙本質(zhì)片模型中表現(xiàn)出良好的小管滲透能力，能深度封閉小管并顯著降低牙本質(zhì)通透性。AFM和顯微硬度測試表明，經(jīng)ColPMA@ACP處理后的牙本質(zhì)機械性能接近天然牙本質(zhì)。

圖3. ColPMA@ACP對牙本質(zhì)小管封閉和再礦化效果的體外評估。A) i) 牙本質(zhì)樣本制備、處理示意圖；ii) 牙本質(zhì)通透性測量的流體滲透裝置示意圖；B) 經(jīng)ColPMA@ACP處理或不處理的牙本質(zhì)樣本在人工唾液中培養(yǎng)3天或7天后的代表性FESEM圖像；C) 天然牙本質(zhì)、酸蝕牙本質(zhì)及經(jīng)ColPMA@ACP處理7天后的AFM形貌與DMT模量映射圖像；D) DMT模量定量結(jié)果；E) 牙本質(zhì)顯微硬度數(shù)據(jù)；F) 各組牙本質(zhì)樣本在不同時間點的通透性數(shù)據(jù)；G) 天然牙本質(zhì)、酸蝕牙本質(zhì)及經(jīng)ColPMA@ACP處理7天后的XRD分析。

生物相容性實驗顯示，ColPMA@ACP對人牙髓干細胞（hDPSCs）無細胞毒性，并能顯著促進其成牙向分化。ALP活性升高、成牙相關(guān)基因（如ALPL、RUNX2、BSP、OPN、OCN、DSPP）表達上調(diào)以及DSPP蛋白的高表達，均表明該材料具有良好的生物活性。轉(zhuǎn)錄組分析進一步揭示，ColPMA@ACP通過調(diào)控PI3K-AKT、cAMP、Wnt、鈣信號等多條通路協(xié)同促進成牙分化。

圖4. ColPMA@ACP的體外生物相容性與成牙誘導能力。A) hDPSCs與ColMA、ColPMA或ColPMA@ACP通過Transwell共培養(yǎng)示意圖；B) CCK-8法檢測細胞活性；C) 培養(yǎng)5天后的熒光染色、結(jié)晶紫染色和考馬斯藍染色圖像；D) ALP染色圖像；E) ALP活性定量結(jié)果；F) 成牙相關(guān)基因的qRT-PCR分析；G) 培養(yǎng)7天后DSPP的免疫熒光圖像。

圖5. 成牙機制轉(zhuǎn)錄組分析。A) 基因主成分分析；B) 基因表達火山圖；C) 差異表達基因熱圖；D) 上調(diào)基因的GO富集分析；E) 富集GO條目的環(huán)形熱圖；F) 上調(diào)基因的KEGG通路富集分析；G) KEGG富集條目的弦圖；H) 差異表達基因的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)互作網(wǎng)絡(luò)分析。

在大鼠口腔模型中，ColPMA@ACP表現(xiàn)出優(yōu)異的牙本質(zhì)小管封閉能力和深部礦化潛力。Micro-CT和組織切片顯示新材料能促進修復(fù)性牙本質(zhì)形成，免疫組化分析證實DSPP、DMP1、OCN等礦化相關(guān)蛋白表達上升，炎癥因子（TNF-α、IL-1β）表達下降，疼痛相關(guān)受體（TRPA1、CGRP）表達減少，表明該材料不僅能促進結(jié)構(gòu)修復(fù)，還能調(diào)節(jié)免疫微環(huán)境和抑制疼痛信號。

圖6. 牙本質(zhì)小管封閉的體內(nèi)動物實驗。A) 牙本質(zhì)片固定于大鼠口腔內(nèi)的示意圖；B) 經(jīng)ColPMA@ACP處理或不處理的牙本質(zhì)片在大鼠口腔內(nèi)培養(yǎng)7天或14天后的FESEM圖像；C) 大鼠磨牙過敏模型建立及實驗設(shè)計示意圖；D) 經(jīng)ColPMA@ACP處理或不處理的大鼠磨牙在培養(yǎng)7天或14天后的FESEM圖像。

圖7. ColPMA@ACP增強的體內(nèi)牙齒再生效果。A) 經(jīng)ColPMA@ACP處理或不處理的大鼠磨牙在7天或14天后的Micro-CT圖像；B) H&E染色和Masson三色染色圖像；C) 處理后2周DSPP、DMP1、OCN、TNF-α、IL-1β、CD68/iNOS、CD68/CD206的免疫熒光染色圖像；D–H) 各標志物陽性細胞的半定量結(jié)果；I) 處理后2周DSPP、DMP1、TRPA1、CGRP、CD31的免疫組化染色圖像。

綜上所述，該研究通過光響應(yīng)自礦化膠原材料成功構(gòu)建了具有結(jié)構(gòu)-功能一體化修復(fù)能力的仿生牙本質(zhì)層，不僅解決了傳統(tǒng)仿生礦化中的關(guān)鍵瓶頸，還為牙本質(zhì)再生提供了一種具有臨床轉(zhuǎn)化潛力的新型策略。未來研究將通過更多對照實驗和標準化缺陷模型進一步優(yōu)化該材料的修復(fù)性能，推動其在再生牙醫(yī)學中的廣泛應(yīng)用。

來源：高分子科學前沿

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