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天津医科大学邓嘉胤、张旭/天津大学刘文广《ACS Nano》:防治龋齿新策略,中国化工网,okmart.com
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天津医科大学邓嘉胤、张旭/天津大学刘文广《ACS Nano》:防治龋齿新策略
2022年01月25日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

龋齿是一个严重的全球公共卫生问题,它对个人和社区造成巨大的痛苦、功能损害和生活质量的下降。生物矿化技术已成为防治龋齿的发展趋势。其生物活性和释放大量Ca2+和PO43-离子的能力使无定形磷酸钙(ACP)用于硬组织再矿化是非常理想的中国化工网okmart.com。但ACP的不稳定性限制了其临床应用。在口腔内持续的细菌攻击下,目前开发的ACP再矿化系统缺乏抑制细菌粘附和生物膜形成的能力。


近日,天津医科大学邓嘉胤教授、张旭教授和天津大学刘文广教授课题组合作采用双离子聚羧基甜菜碱丙烯酰胺(PCBAA)与ACP复合设计了一种具有抗菌膜和再矿化特性的双功能纳米复合材料。所得到的纳米复合材料在溶液中可至少稳定3天,没有任何聚集。PCBAA/ACP纳米复合材料对变形链球菌的粘附和生物被膜的形成具有明显的抑制作用,并在细菌所致的酸性条件下表现出杀菌活性。此外,与氟相比,该纳米复合材料在体内外促进脱矿牙釉质再矿化和牙本质小管外露闭塞方面具有更佳的效果。相关工作以“Polyzwitterion Manipulates Remineralization and Antibiofilm Functions against Dental Demineralization”为题发表在最新一期的《ACS Nano》。

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图1. 具有双重抗菌膜和再矿化功能的PCBAA/ACP纳米复合材料示意图

受自然生物矿化过程中反荷残基协同作用的启发,CB聚合物可能在隔离钙离子和通过形成ACP液体前体减慢磷酸钙向HAp的转变中发挥关键作用。研究者制备了一种两性离子聚(羧甜菜碱丙烯酰胺)(PCBAA)稳定的ACP纳米复合材料,并探究其在体内外抗龋性细菌黏附和牙釉质生物膜形成、促进牙釉质再矿化和DT闭塞的效果(图1)。PCBAA/ACP纳米复合材料在有效阻止龋的发生和预防龋方面具有很大的临床应用潜力。

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图2. PCBAA/ACP纳米复合材料的表征

PCBAA/ACP纳米复合材料的表征

凝胶渗透色谱(GPC)测定PCBAA的分子量(Mw)为104 kDa。透射电子显微镜(TEM)图像显示,混合后的纳米粒子的尺寸在30 ~ 60 nm之间,所选区域电子衍射(SAED)模式没有出现特征的晶体结构点或环状图案。表明PCBAA/ACP纳米复合材料具有非晶性。动态光散射(DLS)测量显示,平均粒径为50.67±2.37 nm(图2a)。此外,PCBAA/ACP纳米复合材料的XRD图谱在约2θ = 25°时呈现一条宽频带(图2b),表明该复合材料缺乏长程周期性,从而排除了HAp或其他CaP晶相的存在。能谱x射线能谱(EDS)证实了纳米颗粒由钙和磷酸盐组成,Ca与P的比值为1.45(图2c)。采用FTIR研究了两性离子PCBAA/ACP纳米复合材料的形成及其与ACP的相互作用(图2d)。利用TEM进一步评价了PCBAA/ACP纳米复合溶液在室温下的稳定性。如图2e所示,溶液稳定观察1天,没有任何聚集或大小增加。在接下来的2天里,尽管纳米颗粒的尺寸略有增加,但颗粒仍然是无定形的(图2f)。PCBAA/ACP纳米复合材料在溶液中可以至少稳定3天,没有任何聚集,并且保持无定形状态至少5天。


两性离子PCBAA/ACP纳米复合材料表现出对细菌粘附和生物膜形成的耐药性

为了研究PCBAA/ACP纳米复合材料对致龋细菌在牙釉质表面的粘附、生长和生物膜形成的影响,研究者建立了模拟口腔环境的人牙釉质表面变形链球菌生物膜的体外模型。从图3a可以看出,PCBAA-和PCBAA/ACP处理后的牙釉质表面在1h和6 h的细菌形态明显少于空白牙釉质表面的变形链球菌。PCBAA-和PCBAA/ ACP处理后牙釉质表面变形链球菌黏附的抑制率在1h时分别为86.1%和87.6% (P < 0.01),6h时分别为90.7%和90.4% (P < 0.01)。用激光共聚焦扫描显微镜(CLSM)研究24h和48 h后牙釉质表面变形链球菌的生长情况(图3c)。未处理的牙釉质表面(对照组)被绿色染色的活菌完全覆盖。PCBAA/ACP-或PCBAA处理后,粘附于釉质表面的细菌数量明显减少,24 h后,粘附于PCBAA/ACP-或PCBAA处理后的釉质表面的细菌大多呈黄色,表明细菌活性较低,48 h后几乎全部呈红色。表明PCBAA/ACP或PCBAA具有较高的抗菌能力。


两性离子PCBAA/ACP纳米复合材料体外加速牙釉质再矿化和DT闭塞

采用体外模型(图4a)检测PCBAA/ACP对牙釉质再矿化和DT闭塞的影响,以评估其在阻龋和预防龋方面的潜在应用价值。结果表明,自然再矿化受到唾液中钙离子和磷离子浓度的限制,导致效率极低。氟化脱矿牙釉质表面在人工唾液中浸泡7天后,形成多孔矿化层(图4c,c1)。相反,PCBAA/ ACP处理后,釉质表面出现致密的无序棒状矿物晶体,腐蚀后釉质表面棱柱状结构完全消失,形成厚度大于10 μm的平面(图4d,d1)。PCBAA/ACP纳米复合材料不仅能提供离子,还能防止离子在损伤表面的快速聚集和自发转化,从而使钙和磷离子更大程度地渗透到缝隙中,加速内部晶体生长,促进致密矿化层的形成。


小结:本研究采用两性聚合物PCBAA稳定溶液中的钙、磷离子,成功构建了PCBAA/ACP纳米复合材料。体内、体外实验结果表明,PCBAA/ACP纳米复合材料能促进脱矿牙釉质的快速再矿化和DTs的闭塞。PCBAA能抑制致龋细菌的粘附和生物膜的形成,从而有效地减少酸的产生,阻止龋的发展。ACP通过有效释放钙、磷离子,并逐渐转化为原位HAp,促进牙矿化,阻断DTs。双功能的PCBAA/ACP纳米复合材料不依赖残留的种子晶体或唾液来提供过饱和的Ca2+和PO43-离子,特别是额外的表面修饰,并且产生的矿化层对龋齿细菌的挑战具有高度抗性。


标签:化工应用技术中心今日头条生物化学
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