兰州大学口腔医学院范增杰AFM：微环境调控双层微针贴片促进糖尿病牙周炎软硬组织再生

糖尿病患者的慢性牙周炎会加剧局部牙周软组织的破坏，并加速硬组织的吸收。目前，同时恢复牙周软硬组织的有效策略仍然不足。为了解决这一挑战，兰州大学口腔医学院范增杰提出了一种多功能双层微针（d-MNs）设计，用于在糖尿病患者中再生牙周软硬组织。d-MNs基底由含有纳米羟基磷灰石（nHA）的明胶甲基丙烯酰胺（GelMA）组成，这有助于成骨细胞分化为成骨细胞，从而促进牙槽骨再生。另一方面，d-MNs的尖端主要由透明质酸（HA）和载有葡萄糖氧化酶（GOX）的镁基金属有机框架（Mg-MOF）组成。这种组合创造了一个降血糖、促血管生成和抗炎的微环境，支持软组织修复。当植入牙周炎部位时，d-MNs基底和尖端之间的协同作用有效促进了软硬组织的再生，这一点已在糖尿病牙周炎大鼠模型中得到证明。这些创新的d-MNs有潜力彻底改变治疗糖尿病牙周炎的传统方法，并可在牙科诊所广泛应用。该研究以题为“Microenvironment-Regulated Dual-Layer Microneedle Patch for Promoting Periodontal Soft and Hard Tissue Regeneration in Diabetic Periodontitis”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

图1展示了双层微针（d-MNs）的制备过程及其在牙周组织修复中的作用模型。d-MNs的尖端由可溶性透明质酸和GOX/Mg-MOF组成，能够通过快速自溶解释放GOX/Mg-MOF，以降低血糖、抗炎和促进血管生成，从而修复软组织。基底则由GelMA和nHA组成，贴附于牙槽骨表面，促进成骨细胞分化为成骨细胞，加速硬组织修复。这种设计确保了d-MNs在牙周炎部位植入后，能够有效促进软硬组织的协同再生，为糖尿病牙周炎的治疗提供了一种创新的策略。

图1. 双层微针制备及促进牙周组织修复的模型图

【合成MOF的形貌和功能特性】

图2展示了合成的Mg-MOF和GOX/Mg-MOF纳米颗粒的形貌和功能特性。通过透射扫描电子显微镜（TEM）观察，发现MOF纳米颗粒呈多面体形状，但大小和形状不规则，且GOX的负载并未改变Mg-MOF的结构。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析确认了Mg和GA之间形成了新的化学键。X射线衍射（XRD）进一步验证了Mg-MOF的成功合成。此外，通过靛蓝褪色实验验证了GOX/Mg-MOF保留了GOX的酶活性。这些结果表明，成功制备了具有生物相容性和多孔结构的Mg-MOF，并且GOX的负载和释放功能得到了有效实现，为后续的生物应用奠定了基础。

图2. 合成MOF的形貌和功能特性

【双层微针及其微针基底的特性】

图3展示了双层微针（d-MNs）及其微针基底的制备、结构和物理特性。通过扫描电子显微镜（SEM）观察，d-MNs呈现均匀的圆锥形结构，具有良好的双层结构设计，基底由GelMA和nHA组成，尖端由HA和GOX/Mg-MOF组成。压缩应力-应变曲线显示，随着GelMA浓度的增加，微针基底的抗压强度和模量提高，最终选择10%GelMA与5%nHA的组合以获得最佳的机械性能和生物相容性。此外，微针基底的溶胀率随nHA的引入而降低，且在胶原酶II的作用下表现出良好的降解性能。这些特性表明，所制备的d-MNs具有优异的结构稳定性和生物相容性，能够满足牙周组织修复的需求.

图3. 双层微针（d-MNs）及其微针基底的特性

【细胞生物相容性、成骨和血管生成特性】

图4展示了双层微针（d-MNs）及其各组分的细胞生物相容性、成骨和血管生成特性。通过CCK8实验和活/死细胞染色，结果显示所有样品的细胞活性均超过85%，表明其具有良好的生物相容性。此外，与nHA/GelMA共培养的MC3T3-E1细胞表现出显著的成骨分化能力，如碱性磷酸酶（ALP）和茜素红（ARS）染色结果所示，其成骨相关基因RUNX2和OCN的表达也显著上调。在血管生成实验中，MOF/HA组的HUVECs管状结构形成能力优于其他组。这些结果表明，d-MNs的各组分在促进成骨和血管生成方面具有协同作用，为其在牙周组织修复中的应用提供了实验依据。

图4. 细胞生物相容性、成骨和血管生成特性

【nHA/GelMA促进成骨的PCR评估，以及MOF体外的抗炎和抗氧化特性】

图5展示了nHA/GelMA促进成骨的PCR评估以及MOF在体外的抗炎和抗氧化特性。通过PCR分析，结果显示nHA/GelMA组的成骨相关基因RUNX2和OCN表达显著上调，表明其具有良好的成骨诱导能力。此外，MOF能有效降低细胞内活性氧（ROS）水平，减少炎症因子IL-6和TNF-α的表达，并促进巨噬细胞向抗炎M2表型极化。这些结果表明，nHA/GelMA和MOF在促进成骨和抗炎方面具有显著作用，为牙周组织修复提供了重要的分子机制支持。

图5. nHA/GelMA促进成骨的PCR评估，以及MOF体外的抗炎和抗氧化特性

【组织学和免疫组化染色】

图6展示了糖尿病牙周炎动物实验的组织学和免疫组化染色结果。实验分为多个组别，包括健康对照组、糖尿病牙周炎组（DP组）、常规治疗组（PDP组）、空白双层微针组（d-MNs组）和载有GOX/Mg-MOF的双层微针组（d-MNs@MOF组）。结果显示，经过14天和28天的治疗，d-MNs@MOF组的牙周组织修复效果最为显著。在14天时，d-MNs@MOF组的牙周组织中炎症细胞浸润明显减少，结缔组织纤维束排列有序，与健康组织相似，而DP组和PDP组的炎症反应较为严重，纤维束排列紊乱。此外，d-MNs@MOF组的牙龈组织中血管内皮生长因子（VEGF）表达水平最高，表明其在促进血管新生方面具有优势。这些结果表明，d-MNs@MOF在糖尿病牙周炎的治疗中具有良好的效果，能够有效促进牙周软硬组织的修复和再生。

图6. 组织学和免疫组化染色

【牙周组织的Masson和免疫组化染色】

图7展示了糖尿病牙周炎动物实验中牙周组织的Masson染色和免疫组化染色结果。结果显示，在治疗14天后，d-MNs@MOF组的牙周组织中胶原纤维密度、连续性和组织化程度显著优于其他组，Masson染色显示其蓝色染色区域更为明显，表明胶原再生效果更好。免疫组化染色结果显示，d-MNs@MOF组在牙龈组织中I型和III型胶原（COL-I和COL-III）的表达量最高，且在牙槽骨区域RUNX2和COL-I的表达也最为显著，表明其在促进牙周软硬组织修复方面具有显著优势。

图7. 牙周组织的Masson和免疫组化染色

【微CT成像及骨量分析】

图8展示了通过微CT成像对糖尿病牙周炎动物模型中牙槽骨再生的评估结果。结果显示，经过治疗后，d-MNs@MOF组的牙周组织在牙槽骨高度恢复方面表现最为显著，其牙槽骨体积和质量显著优于其他治疗组和对照组。具体而言，d-MNs@MOF组在牙槽骨的骨密度（BMD）、骨体积分数（BV/TV）、骨小梁数量（Tb.N）和骨小梁厚度（Tb.Th）等微结构参数上均取得了显著改善。这些结果表明，d-MNs@MOF在促进牙槽骨再生和修复方面具有显著优势，能够有效恢复糖尿病牙周炎引起的牙槽骨损伤.

图8. 微CT成像及骨量分析

【小结】

该论文开发了一种具有上下层不同功能的双层微针贴片（d-MNs@MOF），其尖端层能够降低局部组织的血糖浓度、通过清除活性氧来抗炎，并释放镁离子以促进血管生成，而基底层则促进骨组织再生。这些协同功能使得d-MNs@MOF能够全面修复糖尿病牙周炎所损伤的软硬组织，为糖尿病牙周炎的手术治疗提供了新的临床应用前景。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202418076