吃糖也不怕蛀牙？MnFe₂O₄/黄芪胶-壳聚糖水凝胶灭变链菌生物膜+修复脱矿牙釉质

全球约35亿人患口腔疾病，龋病最常见，由致龋菌（尤S. mutans）产酸致釉质脱矿驱动，传统氟化物存在氟斑牙风险且无显著抗菌生物膜能力，机械清创难彻底清除深窝沟菌斑。壳聚糖（CS）具阳离子抗菌、生物相容及促羟基磷灰石（HAp）成核再矿化特性，黄蓍胶（TG）为阴离子天然多糖，与CS通过氢键/静电形成聚电解质复合物水凝胶，具优良保湿、黏膜黏附及低成本优势，但二者单独均无强效抗S. mutans生物膜能力。锰铁氧体纳米颗粒（MnFe₂O₄ NPs）具磁响应性、Fenton-like催化产ROS（·OH）及较大比表面积，已被证实对革兰氏阳/阴性菌有浓度依赖杀菌作用，且Mn²⁺/Fe³⁺可参与钙磷代谢影响矿化，但尚未被用于TG-CS牙科水凝胶。

本研究假设将MnFe₂O₄ NPs物理分散入TG-CS网络可提高复合水凝胶力学稳定性、降低过度溶胀、延长口腔滞留，并利用NPs催化ROS破坏S. mutans膜/DNA及CS本身正电荷膜破坏双重协同杀菌抗生物膜，同时CS正电荷吸附脱矿釉质表面负电荷引导Ca²⁺/PO₄³⁻沉积促再矿化。采用共沉淀合成~17 nm MnFe₂O₄ NPs，按0/2/3/4 mg/mL掺入TG(10%)-CS(1%)醋酸溶液经冻融制凝胶，系统表征理化性质（FTIR、XRD、DLS、接触角、溶胀、人工唾液降解、牙面黏附）、血液/细胞相容性、对S. mutans/S. aureus/E. coli的CFU/抑菌圈/生物膜抑制及人离体牙酸蚀脱矿-再矿化（SEM、EDAX Ca/P比、XRD、共聚焦），验证其防龋应用潜力。

图1.MNPs合成与水凝胶理化表征

TEM示MNPs平均粒径17.49±5.6 nm，球形略团聚；XRD与JCPDS 00-010-0319吻合证立方尖晶石MnFe₂O₄。FTIR中568 cm⁻¹(Fe–O)出现在含MNP水凝胶中，TG/CS特征峰（O–H 3400 cm⁻¹、酰胺I 1640 cm⁻¹、C–O–C 1030–1038 cm⁻¹）保留且有位移证氢键/物理包埋。XRD水凝胶呈半结晶-无定形混合，MNP加入出现~30°尖晶石峰且随MNP↑增强。DLS：TG-CS ζ≈-15.89 mV，加MNP后趋负(~-22 mV)提示胶体稳；4-MNPs-TG-CS粒径~300 nm最紧凑。接触角由TG-CS 61°升至4-MNPs-TG-CS 85°，适度降亲水抑过度溶胀。溶胀240 min TG-CS 170.9%→4-MNPs-TG-CS 118.0%（MNP↑交联密度↑），28天人工唾液降解28.09%（MNP稳网络），牙黏附测试4-MNPs-TG-CS >48 h无脱落（TG黏附+CS正电静电吸附釉质），综合满足口腔局部应用需求。

图2.生物相容性评价

TG-CS 0.55% → 4-MNPs-TG-CS 2.52%，均<5%（ISO 10993-4合格），证血液相容。MTT：L929成纤维细胞24/48/72 h存活率分别≥88%/90%/94%，4-MNPs-TG-CS组72 h仍>94%，无浓度依赖毒性，符合ISO 10993-5非细胞毒标准。TG/CS天然多糖本身促细胞贴附铺展，适量MNP不引明显ROS胞内毒性。综合血液/细胞实验确认该水凝胶接触牙龈微量出血或黏膜均安全，适合长期/反复口腔局部使用。

图3.抗菌及抗生物膜活性

TG-CS对S. mutans仅降~4%，2-MNPs-TG-CS降91.3%，3/4-MNPs-TG-CS完全灭菌（0 CFU）；对S. aureus、E. coli同理3/4 mg组100%杀灭。抑菌圈（ZOI）：4-MNPs-TG-CS对S. mutans达28.33 mm（TG-CS仅15.66 mm），随MNP↑扩大。结晶紫定量生物膜抑制：4-MNPs-TG-CS对S. mutans85.94±6.04%，3-MNPs-TG-CS 78.64%，2-MNPs-TG-CS 64.38%，TG-CS可忽略。MNP表面催化H₂O₂/·OH（Fenton-like）破坏膜/蛋白/DNA，CS正电静电吸附带负电菌膜致渗漏，二者协同；低溶胀使MNP密布表面增强接触杀菌。证含MNP水凝胶具强抗致龋菌及破生物膜能力。

图4.抑制脱矿与促进再矿化

人工脱矿（pH 4.5, 5 h）后SEM见对照组釉质粗糙多孔，TG-CS略轻，4-MNPs-TG-CS几乎无孔。再矿化（pH 7.6含NaF模拟液24 h）后对照仍多孔，TG-CS微改善，4-MNPs-TG-CS见致密随机沉积HAp晶体、表面平滑。XRD再矿化后各组合出现HAp特征峰（25°、34°、46°），4-MNPs-TG-CS峰最强最锐。EDAX Ca/P比：脱矿后各组相近低值，再矿化后4-MNPs-TG-CS Ca/P显著↑接近HAp理论值(1.67)，对照/TG-CS无显著变化。共聚焦Rhodamine B荧光：脱矿4-MNPs组荧光弱→脱矿浅；再矿化后荧光最低→矿物沉积填孔。CS–NH₃⁺吸附脱矿区负电荷滞留Ca²⁺引导HAp成核，MNP可能助Ca/P离子局部富集，共抑脱矿促再矿化。

本研究成功制备了负载不同浓度锰铁氧体纳米颗粒（MnFe₂O₄ NPs）的黄蓍胶-壳聚糖（TG-CS）物理共混水凝胶。NPs平均粒径~17 nm，通过氢键与物理包埋均匀分散于TG-CS半互穿网络，使水凝胶溶胀适度降低（4-MNPs-TG-CS 118% vs TG-CS 171%）、人工唾液28天降解~28%、牙釉面黏附>48 h不脱落。含4 mg/mL MNPs的水凝胶溶血率2.52%、L929成纤维细胞72 h存活率>94%，生物相容性优良；对致龋S. mutans及S. aureus/E. coli实现100%杀菌（CFU法）及≥85.94%生物膜抑制，抗菌机制为MNP催化ROS膜破坏与CS正电荷膜吸附协同作用。离体牙实验证实其显著减少pH 4.5酸蚀脱矿，并通过CS正电荷引导Ca²⁺/PO₄³⁻沉积使再矿化后釉质表面恢复致密HAp层、Ca/P比趋近理论值。该MnFe₂O₄/TG-CS水凝胶集湿态黏附、广谱抗菌抗生物膜、抑制脱矿及促进再矿化为一体，为防龋局部非氟制剂提供了具转化前景的候选材料，后续需开展体内动物龋齿模型验证及MNP经口长期安全性评价。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2025.146886