温敏凝胶铺出轨迹，微电机在牙面定向清除生物膜

牙菌斑并不是简单附着在牙面的细菌。变形链球菌等微生物会分泌胞外聚合物，逐渐形成结构致密的生物膜，并在糖代谢过程中持续产酸。牙体硬组织长期处在这种局部酸性环境中，脱矿风险随之增加。现有防治手段各有作用。机械清洁能够直接去除菌斑，氯己定用于抑菌，氟化物则主要帮助再矿化，但成熟生物膜位置隐蔽、附着牢固，单一处理未必能充分覆盖复杂牙面。微型电机可以在外场控制下移动，为穿入或扰动生物膜提供了新的工具。困难在于，许多光驱或声驱微电机依赖液体环境，到了牙釉质这样的固体表面，摩擦和唾液冲刷都会影响运动与停留。

这项研究从固体表面运动入手。研究人员制备了近红外光响应的石墨烯气凝胶微球，并把它放在含菌斑指示剂的温敏明胶上，整个系统简称MSM。近红外光照在微球一侧时，局部温度升高，与微球接触的明胶由凝胶转为溶胶。两侧表面张力不再相同，由此产生的马兰戈尼流推动微球朝受光方向移动。微球离开后，温度下降，明胶重新凝固。凝胶在这里承担了两项工作，一是为微球提供可运动的表面，二是通过显色帮助确认生物膜所在位置。微球运动带来的机械扰动和局部光热则共同作用于生物膜。

研究内容

图1.MSM的制备与表征

石墨烯氧化物采用改良Hummers法制备，平均尺寸约292.6 nm，ζ电位为-21 mV，AFM测得厚度约0.3 nm。随后通过高压静电喷雾，并在CaCl₂、CTAB和抗坏血酸参与下完成凝固、还原和冻干，得到直径约800 μm的石墨烯气凝胶微球。电镜下可以看到微球表面较致密，内部保留了三维多孔结构。FTIR中的含氧基团峰减弱，XRD峰由GO的10°移至NGM的24°宽峰，Raman光谱的ID/IG升高，这些变化与还原过程相符。温敏凝胶以明胶为基材，加入1%菌斑指示剂后，在35℃可以成胶，接近40℃时转为液态。用5.31 W/cm²的808 nm近红外光照射30 s，MSM温度升到68.7℃，未加微球的凝胶只升高5.6℃。连续进行5次加热和冷却，温度响应没有明显衰减。

图2.MSM的NIR转向运动性能

当近红外光偏向微球一侧照射时，接触区域温度超过40℃，附近明胶开始液化，表面张力差推动微球向光源方向移动。光源位置改变，微球的行进方向也随之改变。功率密度从3.98 W/cm²增加到5.96 W/cm²后，运动速度由225 μm/s升至543.7 μm/s。在3.98 W/cm²条件下，微球还能沿不同倾角的斜面向上移动。启停实验每隔15 s切换一次近红外光，连续6次后未见明显速度衰减。往返20个周期时，运动状态也较稳定。迷宫实验用了752 s，微球沿预设通道到达终点。现有结果说明，这套凝胶表面可以支持微球转向、启停和连续行进。

图3.MSM抗菌效应（浮游菌与菌落）

研究以变形链球菌为模型观察杀菌效果。功率密度为3.98 W/cm²时，浮游菌存活率为64.5%。功率提高到5.31 W/cm²后，存活率降至1.8%。在6.63 W/cm²条件下，培养得到的存活菌已接近检测下限。只照射近红外光或只加入NGM，并没有出现同等幅度的变化。随着照射功率增加，OD260检测到的核酸渗漏量也在上升。琼脂表面实验使用3.98 W/cm²引导微球移动，再用5.31 W/cm²进行局部处理。Live/Dead染色显示，微球经过的区域以代表死菌的红色信号为主。SEM下可见菌体表面破损并伴有内容物外漏，对照组菌体形态相对完整。杀菌区域与微球的运动轨迹基本重合，提示光热作用具有一定的空间选择性。

图4.MSM靶向清除玻璃面生物膜

圆形玻片上培养变形链球菌生物膜后，温敏凝胶中的指示剂把生物膜染成粉红色。研究人员根据染色位置移动近红外光，MSM沿着目标区域行进，经过的位置逐渐褪色。结晶紫实验中，MSM联合近红外光组的吸光度最低，低于单独近红外光、NGM、GO联合近红外光和氯己定组。研究者还预设了字母V和月牙形路线，处理后玻片上出现了对应的褪色图案。CLSM观察到运动轨迹内以红色死菌信号为主，菌落计数和生物膜干重也处于各组最低水平。SEM图像中，原本连续的生物膜结构被打散，部分菌体出现皱缩和破裂。这里的差异来自微球移动和局部光热的共同作用，不能简单归因于升温。

图5. 离体人牙面生物膜靶向清除

为了接近真实牙面的起伏结构，研究人员又在志愿者离体牙上培养了48 h变形链球菌生物膜。温敏凝胶先完成显色定位，随后用近红外光引导MSM在牙釉质表面往返移动。处理后，微球经过的染色区域明显变浅。结晶紫和CLSM结果与玻片实验相近，MSM联合近红外光组的生物膜残留量最低，红色死菌信号最强。其余对照组仍可见较多生物膜。离体牙实验表明，微球能够在凹凸不平的牙面上运动，并对指定区域进行处理，但这仍属于体外环境下的验证。

这套系统的特点在于把显色定位、运动控制和局部处理放在同一层凝胶上。石墨烯气凝胶微球负责吸收近红外光并产生热量，温敏明胶提供运动表面，菌斑指示剂帮助确定目标区域。微球移动时产生机械扰动，局部升温进一步损伤菌体和膜结构。论文记录到糖酵解、产酸和群体感应相关指标发生变化，这为生物膜减少提供了补充解释。人牙龈成纤维细胞、牙龈组织和牙釉质观察在本实验条件下未发现明显异常。目前的证据主要来自培养体系、玻片和离体牙，尚不能等同于临床治疗效果。实验使用的近红外功率较高，局部温度达到60℃以上，口腔组织的耐受范围、唾液持续冲刷时的导航稳定性以及重复处理后的釉质变化，都需要继续研究。MSM展示的是一种在固体表面定向处理生物膜的方法，距离实际用于龋病防治仍有不少问题要解决。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.161844