北京大学口腔医院孙玉春教授、清华大学陈国强教授团队《Chem. Eng. J》：多孔抗菌PHA支架修复口腔软组织缺损
牙龈组织是口腔第一道保护屏障，有利于防止病原体和刺激物穿透组织屏障到达底层骨从而引起炎症和骨吸收。角化龈或附着龈等软组织修复再生对出现一系列病理状况如牙龈退缩、感染、创伤、恶性肿瘤等的患者至关重要。胶原蛋白类材料是临床上使用最广泛的商业支架。然而，它们在大规模使用过程中也出现了较多的并发症，如感染、免疫原性炎症及修复速度慢等。其次，口腔环境中的细菌失衡可能引起如牙龈炎、牙周炎、种植体周围炎等疾病发生，尤其是在软组织缺损或植入牙龈移植物后的情况下。因此，具有抗菌性能的支架将有效减少伤口感染的机会，并最终提高膜龈手术的成功率。为牙龈组织再生制备合适的具有抗菌性能的生物材料仍一个巨大的挑战。
近日，北京大学口腔医院孙玉春教授团队联合清华大学生命科学学院/化工系陈国强教授团队在《Chemical Engineering Journal》上发表了题为“Porous polyhydroxyalkanoates (PHA) scaffolds with antibacterial property for oral soft tissue regeneration”的研究论文。该研究基于第四代聚羟基脂肪酸酯（PHA）材料—P34HB（3-羟基丁酸和4-羟基丁酸共聚物），开发了一种“聚酯-金属氧化物”复合的多孔抗菌支架（PAP34HB），并将其应用到口内软组织在健康和感染条件下的修复过程中，与目前临床上广泛使用的胶原蛋白膜相比，均显示出较好的抗菌和修复效果（图1）。
图1. 基于P34HB的不对称多孔抗菌支架的制备及应用。
在材料制备及表征方面，本研究使用简便但高效的“top-down”溶剂交换方法，开发了一种基于P34HB的具有不对称多孔结构：多孔海绵部分（主要）和低孔隙度致密层（图2），并兼具适当力学性能的抗菌支架（PAP34HB）。在一定浓度的氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）的作用下，PAP34HB支架对口内常见细菌如牙龈卟啉单胞菌（Porphyromonas gingivalis）和变形链球菌（Streptococcus mutans）具有较好的抑制其生长和繁殖的作用（图3）。
图2. 基于P34HB的具有不对称多孔结构支架微观图。
图3. 基于P34HB的支架和商业胶原膜对牙龈卟啉单胞菌和变形链球菌的抗菌性能表征。
随后的细胞实验也证实，在保持优异的抗菌性能的基础上，PAP34HB对人牙龈成纤维细胞（HGFs）和骨髓间充质干细胞（BMSCs）具有较好的生物相容性。尤其是在HGFs的体外细胞增殖研究中，与商业胶原蛋白膜相比，PAP34HB显示出更好的生物相容性，这进一步体现了PAP34HB的优势（图4）。
图4. 基于P34HB的支架和商业胶原膜对HGFs和BMSCs的生长和增殖影响表征。
最后，基于PAP34HB支架（P34HB/0.5%ZnO组）保持共培养细胞活力的同时表现出优异的抗菌活性，本研究设计了口内非感染和感染性软组织缺损模型评估该组PAP34HB支架在体内口腔软组织修复和再生的作用。在非感染性软组织缺损模型中，术后7天观察，空白对照组仍然可以观察到肿胀和微红的伤口，P34HB及PAP34HB组的伤口炎症消退，边缘明显闭合，上皮靠拢，钉突显著延长，胶原纤维排列有序，表现出较好的修复和再生能力。而在两组胶原膜的结缔组织中仍发现大量炎症细胞，表明有过度免疫反应。在口内感染性软组织缺损模型中，术后7天观察，空白对照组的水肿严重，伤口充满组织碎片，组织结构紊乱不清。PAP34HB组伤口缺损基本恢复，无软组织凹陷，上皮化程度明显更好，未见明显炎症反应或瘢痕，显示完整的牙龈上皮和排列有序的结缔组织。相反，两组商业胶原膜的伤口边缘肿胀并变红，伤口凹陷，存在结构未完全修复的残余伤口，同时可见大量炎性细胞聚集，缺乏完整的牙龈上皮，再生的胶原纤维也较为松散。以上结果表明，与临床常用的胶原蛋白膜相比，PAP34HB支架显示出显著的牙龈修复效果（图5）。
图5. PAP34HB支架在感染口腔软组织缺损模型中显示出显著的修复和抗菌抗炎能力。
综上所述，本研究成功构建了一类基于PHA的具有合适仿生拓扑结构的口内软组织修复支架，具有促细胞增殖、抗菌、消炎能力，对感染性口腔软组织缺损具有显著的修复再生作用，表现出较大的潜在临床应用前景和价值，进一步推动了微生物聚合物尤其是PHA材料在口腔修复领域内的应用发展。
北京大学口腔医院博士生陈凡凡及清华大学生命学院博士生刘心怡为论文的共同第一作者，北京大学口腔医院口腔医学数字化研究中心副主任、中国医疗器械行业协会口腔专委会理事长、口腔生物材料和数字诊疗装备国家工程研究中心“口腔智能技术和装备平台”负责人孙玉春教授和清华大学生命学院/化工系陈国强教授、张旭博士为论文的共同通讯作者。北京大学口腔医院葛兮源研究员、王勇教授及博士生赵梓帆参与该研究。该研究得到了首都科技（创新）领军人才项目、科技部重大专项、国家自然科学基金委、清华大学-北京大学生命科学联合中心、清华-INDITEX持续发展基金的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138899 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722043789
