牙周炎作为全球最常见的慢性炎症疾病之一，主要表现为牙龈红肿和出血、牙周袋形成、牙槽骨吸收、牙松动和移位等。含有致病菌的龈下菌斑是牙周炎的始动因子，继发引起牙周组织过度炎症和免疫反应，造成牙组织破坏。牙周炎临床治疗方法主要依赖于药物和手术治疗以控制菌斑、消除炎症、阻止病程发展和恢复牙周组织功能，但患者解剖条件和操作者技术水平等因素造成牙周袋深部细菌难以完全清除且术后骨再生效果不稳定等。为了突破这一局限，来自康复大学周祺惠研究员与易兵成副研究员联合青岛大学附属医院袁昌青主任研发了一种新型多功能纳米簇巧解牙周炎治疗困局，实现抗菌与骨再生双效合一。该研究以题为“Sulfated Chitosan-Modified CuS Nano-cluster: A Versatile Nanoformulation for Simultaneous Antibacterial and Bone Regenerative Therapy in Periodontitis”发表在《ACS Nano》期刊上。青岛大学口腔医学院硕士生陈晓宇为本论文第一作者。值得一提的是，本次投稿设计的期刊封面图也被顺利接收。
本研究以硫化铜（CuS）纳米粒子为材料基底，在其表面形成介孔二氧化硅（MSN）后进一步修饰磺化壳聚糖（SCS），得到兼具抗菌与促进牙槽骨再生的新型多功能纳米簇（CuS@MSN-SCS）。该纳米簇巧解牙周炎治疗困局的机理（图1）：1）CuS@MSN-SCS纳米簇借助尺寸优势深入牙周袋和牙龈深处发挥治疗功效；2）并通过Cu2+、SCS和SiO44-等释放促进血管再生和牙槽骨重塑；3）同时依据Cu+介导的类Fenton反应加速细菌氧化应激效应，达到抗菌功效。
图1 CuS@MSN-SCS纳米簇巧解牙周炎治疗困局的机理
具体到纳米簇的合成原理，本研究先采用水热法合成CuS纳米粒子，因其表面有柠檬酸钠配体覆盖，故而CuS纳米粒子表面带负电荷。随后，将带正电荷的表面活性剂十六烷基三甲基溴化胺（CTAB）作为软模板通过静电及疏水作用在CuS纳米粒子周围形成有序的CTAB涂层；再在碱性条件下使CTAB周围的原硅酸四乙酯（TEOS）水解缩聚形成二氧化硅，并通过乙醇回流去除CTAB模板，得到CuS@MSN；为促进后续SCS的表面接枝，进一步采用富含-NH2官能团的(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷表面修饰CuS@MSN使其带正电，并依据静电作用修饰SCS制备得到CuS@MSN-SCS纳米簇。电镜结果证实CuS@MSN-SCS纳米簇的核壳结构和成簇特性，元素分析和表面化学性能表征（结果未展示）也验证了纳米簇各成分的存在（图2）。
图2 CuS@MSN-SCS纳米簇合成机理示意图及性能表征
在抗菌层面，作者选用了具核梭杆菌（F.n.）观察CuS@MSN-SCS纳米簇的抗菌效果。结果证实：CuS@MSN-SCS纳米簇不仅可杀死游离的F.n.，还可显著降低菌斑生物膜活性，表现出明显的抗菌效果，且这种抗菌功效具有浓度依赖性（图3）。比如，当纳米簇浓度≥200 μg/mL时细菌抗菌率高达95%以上，且菌斑生物膜质量和厚度均遭到严重破坏。进一步分析发现，这种抗菌效果主要源于ROS引发的氧化应激反应，进而造成细菌DNA损伤、蛋白质氧化和脂质过氧化等诱导细菌死亡，最终抑制生物膜形成。
在促进牙槽骨再生层面，首先使用4-0号丝线在双侧上颌第二磨牙颈部进行结扎，并提供高糖饮食持续2周。大鼠牙周炎模型成功建立后，拆除丝线，并通过牙周袋内注射给药来进行牙周炎局部治疗。经CuS@MSN-SCS纳米簇治疗30 d后，发现釉牙骨质界和牙槽嵴顶的距离相比牙周炎组（blank组）明显减小，呈现出正面的愈合进程，且与临床药物米诺环素局部治疗的MiNo组（阳性对照组）无显著性差异（图4）。
图4 CuS@MSN-SCS纳米簇治疗牙周炎功效：促骨再生
进一步分析，发现经CuS@MSN-SCS和米诺环素局部治疗后，牙周组织炎症因子TNF-α表达水平显著降低，且牙龈上皮钉减少、结合上皮增生缓解、胶原纤维排列趋向有序，均表现出牙周组织炎症缓解和促进牙周组织愈合的现象。即便CuS@MSN-SCS在炎症缓解方面与阳性对照组MiNo的治疗效果无显著性差异，但在CD31表达和促血管生成方面CuS@MSN-SCS组表现出明显的优势（图5）。
图5 CuS@MSN-SCS纳米簇治疗牙周炎功效：抗炎和促血管再生
综上，本研究成功制备新型纳米簇CuS@MSN-SCS，证实可通过深入牙周袋和牙龈组织内释放Cu2+、SiO44-和SCS促进血管生成和牙槽骨再生，并依据Cu+介导的类Fenton反应达到抗菌效果，避免细菌耐药问题。这不仅证实CuS@MSN-SCS在牙周炎局部治疗中的潜力，也为其未来的临床应用提供了坚实的实验基础。
该工作得到山东省泰山学者青年专家项目（No. tsqn202306272）、国家重点研发计划项目（No. 2023YFFO715101）、国家自然科学基金（No. 82302388）、青岛市自然科学基金（No. 23-2-1-132-zyyd-jch）、青岛市科技惠民示范专项（No. 23-2-8-smjk-6-nsh）、烟台市创新领军人才项目（No. 2021RC016）基金支持。
文章链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c00137
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