基于水凝胶的射频H2S传感器用于牙周炎原位监测和抗菌治疗

牙周炎是一种慢性疾病，主要通过免疫和炎症反应对支撑牙齿的结缔组织和牙槽骨造成不可逆转的损害，最终导致牙齿脱落和生活质量下降，因此及时监测和治疗牙周炎具有重要意义。硫化氢（H₂S）是厌氧致病菌在唾液含硫氨基酸降解过程中产生的代表性代谢物，因此，唾液H₂S已被认为是牙周炎监测的潜在生物标志物。由于口腔空间有限和分析物的不稳定性，可穿戴传感器有望实现紧凑和灵活的原位H₂S检测。

本研究提出了一种用于牙周炎监测的可穿戴射频传感器，该传感器基于含有共轭银纳米粒子（AgNPs）-氯己定（CHL）的琼脂糖水凝胶集成裂环谐振器。构建的具有读出装置的H₂S射频传感器的传感原理和示意图如图1A所示，牙周炎的主要表现包括牙龈肿胀和发红，牙周袋形成和口臭，这与细菌菌斑或牙石上的厌氧嗜氧革兰氏阴性菌群密切相关。该种小型化的可穿戴式H₂S射频传感器可以附着在牙周炎病变处进行原位H₂S检测。由于AgNPs对S^2-的敏感性，一种含有AgNPs-CHL的琼脂糖水凝胶构成了具有两个分裂环谐振器的射频传感器，用于牙周炎监测。水凝胶的介电常数随着Ag₂S的形成而增大。因此，介电常数的不可逆变化将导致传感器的等效电容增大，相应的谐振频率降低。AgNPs-CHL的传感原理基于AgNPs与S^2-的反应（图1B），共轭AgNPs-CHL的组装主要基于Ag原子和碱性氮原子在CHL中的孤对电子之间的吸收，这导致CHL分子在AgNPs表面的半稳定附着。当AgNPs -CHL暴露于S^2-时，AgNPs在氧气的存在下被氧化生成稳定且不溶的Ag₂S。同时，由于AgNPs-N相互作用的断裂，抗菌CHL从纳米颗粒表面释放出来，达到抗炎和抗菌斑的作用，是牙周炎患者口腔净化的有效药物。传感信号的传输流程如图1C所示，包括信号接收、处理和显示。与读出线圈连接的便携式矢量网络分析仪能够无线地获得传感器的谐振频率。该信号可进一步传输到移动终端进行唾液H₂S水平评估，便于准确监测牙周炎分期阶段。

图1 具有读出装置的H₂S射频传感器的传感原理和示意图。（A）H₂S传感器在牙周炎患者中的应用；（B）AgNPs-CHL的传感原理和抗菌剂释放示意图；（C）无线数据传输方案。特征回波损耗（S11）频谱可以无线传输到与一致读出线圈相连的矢量网络，并显示在移动终端上。

本研究提出的基于AG-AgNPs-CHL水凝胶的可穿戴射频传感器，用于原位唾液H₂S监测，以支持牙周炎管理。由于AgNPs和S^2-之间的选择性结合，构建的射频传感器在2-30 μM范围内具有良好的线性，LOD低至1.2 μM，且具有良好的选择性。射频传感器在唾液样本中的应用证实其原位牙周炎监测的可行性，与标准H₂S测量方法相比，结果高度一致。该传感器通过局部抗菌CHL释放和精确的H₂S传感，实现疾病分期监测，有助于牙周炎患者的临床治疗。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116404