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武汉大学口腔医学院黄翠&加拿大英属哥伦比亚大学沈雅Bioact. Mater.注射活体水凝胶作为工程生物治疗剂,促进拔牙伤口愈合和牙槽骨再生

2026-10-05 14:34:49

第一作者：郭景梅、雷文龙

通讯作者：黄翠、沈雅

通讯单位：武汉大学口腔医学院、加拿大英属哥伦比亚大学牙学院

研究速览

最近，武汉大学口腔医学院黄翠团队、加拿大英属哥伦比亚大学牙学院沈雅团队在《Bioactive Materials》期刊发表了射活体水凝胶作为工程生物治疗剂，促进拔牙伤口愈合和牙槽骨再生的文章。拔牙后有效的伤口愈合和功能性骨再生仍是临床挑战，凸显了应对牙槽管理复杂、多阶段且转化性需求所需的多功能策略的巨大需求。本研究通过将益生菌Lactobacillus rhamnosusGG（LGG）和磷酸钙纳米颗粒（CP NPs）整合到可光聚聚（乙二醇，PEG）基质中，制成了可注射的活性生物治疗水凝胶。在原位注射并用牙科蓝光激活后，水凝胶迅速形成一个贴合、保护性且具有生物活性的支架，连接到拔牙槽。在治疗方面，LGG 益生菌通过抗菌和免疫调节生物活性重塑伤口微环境，促进早期愈合。同时，LGG 还能促进 CP 细胞 NPs 释放钙和磷酸离子，与微生物辅助的生物矿化协同，促进成骨分化和骨骼再生。体外和体内验证证实，这种益生菌矿物生物治疗水凝胶在单一临床可部署平台内同时整合感染控制、免疫调控和骨诱导，不仅是拔牙后牙槽管理的变革策略，也是动态组织工程应用中活体生物材料开发的范式。

要点分析

要点一：创新水凝胶设计。本研究开发了一种可注射、光响应型活性水凝胶，将益生菌LGG和磷酸钙纳米颗粒封装于PEG-DA基质中。该水凝胶可在拔牙窝内原位注射后经蓝光照射快速固化，形成与牙槽形态高度贴合的保护支架，为组织修复提供理想的生物活性平台。

要点二：多功能协同治疗机制。LGG通过分泌抗菌物质和调节免疫反应抑制病原菌，同时促进巨噬细胞向抗炎表型极化。CP纳米颗粒则作为钙磷离子库，在LGG代谢产物作用下释放离子，协同促进生物矿化与骨再生，实现感染控制、免疫调节与成骨多重协同。

要点三：免疫调控与微环境重塑。水凝胶可动态调控局部免疫微环境，早期促进轻度炎症反应以清除病原，后期诱导巨噬细胞向M2型转化，加速炎症消退并支持组织修复。转录组分析显示其激活了多种免疫调节通路，体现了益生菌的免疫平衡能力。

要点四：显著的体内外骨再生效果。体外实验证实水凝胶具有良好的生物相容性与成骨诱导能力，能显著促进BMSCs的成骨分化与矿化。在大鼠拔牙模型中，水凝胶组表现出更快的伤口愈合速度、更完整的骨小梁结构和更高的骨体积分数，验证了其在牙槽骨再生中的治疗潜力。

图文导读

图1. 活性生物治疗水凝胶的制备与表征。（A）活性生物治疗水凝胶合成示意图。该系统采用聚乙二醇二丙烯酸酯作为可光交联的聚合物基质，苯基-2，4，6-三甲基苯甲酰基亚磷酸锂作为光引发剂，用以封装鼠李糖乳杆菌GG和磷酸钙纳米颗粒。（B）展示该活性生物治疗水凝胶临床应用的实物图像。拔牙后，将含有LGG和CP NPs的前驱体溶液混合，注入牙槽窝，并使用牙科蓝光进行原位光聚合。（C）共聚焦显微镜图像，显示水凝胶在PBS、唾液或MRS培养基中孵育24小时后，内部LGG的分布和存活情况。比例尺：200微米。（D）荧光强度和（E）菌落形成单位计数的定量分析，反映了不同培养条件下被封装LGG的情况。（F）冻干水凝胶的扫描电子显微镜图像，其中LGG（伪彩为绿色）和CP NPs（蓝色）清晰可见。比例尺：2微米。（G）水凝胶的流变学分析。

图2. 活体生物治疗性水凝胶的抗菌能力及益生菌促进的生物矿化作用。（A）金黄色葡萄球菌、（D）大肠杆菌和（G）粪肠球菌悬浮液与水凝胶共培养48小时后的代表性照片及相应光密度（OD）值。菌落形成单位（CFU）定量结果展示了水凝胶对（B）金黄色葡萄球菌、（E）大肠杆菌和（H）粪肠球菌的抗菌效力。琼脂扩散实验显示水凝胶对（C）金黄色葡萄球菌、（F）大肠杆菌和（I）粪肠球菌形成的抑菌圈。（J）LGG促进生物矿化的作用机制示意图。（K）透射电子显微镜图像显示LGG表面矿物质的沉积（红色箭头指示）。比例尺：200 nm。（L）扫描电子显微镜图像显示LGG在PBS或CP NPs悬浮液中培养7天和14天后，其表面随时间形成的矿物质。比例尺：400 nm。（M）水凝胶在PBS中浸泡7天后的扫描电子显微镜图像。比例尺：2 μm。图中LGG细胞（绿色）、CP NPs（蓝色）及生物矿物沉积（紫色）经过伪彩色处理以便观察。数据以均值±标准差表示；*P < 0.05，**P < 0.01，***P < 0.001，****P < 0.0001。

图3. 活性生物治疗水凝胶的体外免疫调节作用。（A）用于评估RAW264.7细胞巨噬细胞极化的Transwell共培养系统示意图。共培养（B）24小时和（C）48小时后的巨噬细胞极化标志物定量RT-PCR分析，基因表达水平已归一化至对照组。（D）流式细胞术分析，以及共培养48小时后（E）CD80⁺（M1巨噬细胞标记）和（F）CD206⁺（M2巨噬细胞标记）细胞群体的定量结果。（G）共培养48小时后，巨噬细胞免疫荧光代表性图像：CD86（红色，M1标记）、CD206（绿色，M2标记）及细胞核（蓝色，DAPI）染色。比例尺：30 μm。（H）CD86与（I）CD206荧光强度的定量分析。（J）主成分分析（PCA）显示对照组与CP-LGG@Gel处理组之间存在明显的转录组谱差异。（K）RNA测序结果的火山图，突出显示显著上调（红色）和下调（绿色）的基因。（L）CP-LGG@Gel处理的巨噬细胞中差异表达基因的基因本体（GO）富集分析。（M）京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路分析，识别受处理显著影响的信号通路。*P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001, ****P < 0.0001。

图4. 由活生物治疗水凝胶诱导的骨髓间充质干细胞增殖与成骨分化。（A）水凝胶浸提液与骨髓间充质干细胞共培养体系的示意图。（B）MTT法显示，与水凝胶浸提液共培养24小时和48小时后，骨髓间充质细胞的活力与PBS对照组相比的变化。（C）显示骨髓间充质干细胞形态的代表性免疫荧光图像。比例尺：50 μm。（D）培养7天和14天后，骨髓间充质干细胞的碱性磷酸酶（ALP）染色及（E）ALP活性定量结果。（F）茜素红S染色及（G）培养14天和21天时钙结节沉积的定量分析。（H，I）培养7天和14天时成骨相关基因表达的RT-PCR分析。（J，K）培养7天和14天时关键成骨标志蛋白的Western印迹分析。（L，M）Western印迹蛋白质表达水平的密度定量分析。*P < 0.05， **P < 0.01， ***P < 0.001， ****P < 0.0001。

图5. 活体生物治疗水凝胶在促进大鼠拔牙后牙槽窝愈合中的疗效。(A)实验性大鼠拔牙模型。在拔除双侧上颌第一磨牙后，于手术时将水凝胶注入牙槽窝。代表性图像显示，经原位注射并光聚合的水凝胶（箭头所示）精确贴合牙槽窝的解剖形态。(B)实验流程时间示意图。分别于术后第1、3、7和14天处死大鼠，以获取组织并进行分析。(C)指定时间点血清中系统性细胞因子（TNF-α、IL-1β、IL-6和IL-10）水平的定量分析。(D)代表性宏观图像，及(E)创口闭合率的定量分析，展示了拔牙创处的愈合进程。M2：第二磨牙。(F)通过H&E染色和马松三色染色对拔牙窝进行组织学分析。黑色虚线标出缺损边界；黑色星号标示炎症层；黄色星号标示血凝块。(G)对愈合牙槽窝内组织成分进行定量分析的组织形态计量学结果。(H)iNOS（红色，M1巨噬细胞标记物）和CD206（绿色，M2巨噬细胞标记物）的免疫荧光染色，并用DAPI（蓝色）进行细胞核复染。(I)缺损区域内iNOS和CD206免疫荧光阳性面积的定量分析。(J)针对成骨标记物OCN（红色）、Runx2（绿色）的免疫荧光染色，以及DAPI（蓝色）核染色。(K)指示成骨细胞活性的OCN阳性和Runx2阳性区域的定量分析。*P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001, ****P < 0.0001。

图6. 拔牙后第3天和第7天牙槽窝愈合的组织学评估。（A、C）术后第3天和第7天拔牙窝的H&E染色和Masson三色染色。黑色虚线标示拔牙缺损的边界；黑色星号表示炎症层；绿色星号标记肉芽组织；黄色箭头突出显示新形成的编织骨。（B、D）显示拔牙窝内不同组织比例的定量组织形态计量学分析。（E、G）术后第3天和第7天缺损区域M1型（iNOS，红色）和M2型（CD206，绿色）巨噬细胞标志物的代表性免疫荧光图像，DAPI（蓝色）为核染色。（F、H）术后第3天和第7天缺损区域iNOS⁺和CD206⁺面积的量化分析。（I、K）成骨标志物OCN（红色）和Runx2（绿色）的免疫荧光染色，DAPI（蓝色）复染。（J、L）反映成骨活性的OCN⁺和Runx2⁺面积的定量分析。*P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001, ****P < 0.0001。

图7. 拔牙后第14天牙槽窝愈合与骨再生的组织学及影像学评估。（A）第14天牙槽窝的苏木精-伊红染色和马松三色染色。（B）牙槽窝内矿化骨比例的定量分析。（C）显示M1巨噬细胞标记物（iNOS，红色）和M2巨噬细胞标记物（CD206，绿色）的代表性免疫荧光图像，细胞核经DAPI复染（蓝色）。（D）缺损区域内iNOS阳性与CD206阳性区域的定量分析。（E）成骨标志物OCN（红色）和Runx2（绿色）的免疫荧光染色，DAPI（蓝色）用于细胞核复染。（F）再生组织内OCN阳性与Runx2阳性区域的定量分析。（G，H）第7天和第14天显示牙槽窝骨愈合进展的矢状面及三维重建微型计算机断层扫描图像。（I–L）骨再生的定量微型计算机断层扫描分析，包括总组织体积、骨体积、骨体积分数、骨小梁厚度、骨小梁数量及骨小梁分离度。*P < 0.05，**P < 0.01，***P < 0.001，****P < 0.0001。