利用离子调控的羟丙基甲基纤维素和羧甲基壳聚糖水凝胶，实现按需通过非晶态磷酸钙介导的牙本质和牙釉质再生

《Carbohydrate Polymers》：On-demand amorphous calcium phosphate-mediated regeneration of dentin and enamel using ion-regulated hydroxypropyl methylcellulose and carboxymethyl chitosan hydrogels

本研究开发了一种新型双多糖水凝胶系统（Calciphos Mineralizing Gel, CMG），通过HPMC-Ca与CMCS-P的协同作用实现牙本质和牙釉质的同步生物矿化。HPMC-Ca通过疏水微域调控钙离子释放，CMCS-P则通过磷酸基团促进磷酸钙前体（ACP）形成，两者的三维网络结构不仅稳定ACP，还作为仿生模板引导牙本质胶原再矿化及牙釉质 epitaxial 晶体生长。实验证实该系统7天内即可恢复天然牙组织的机械性能，为龋齿防治和修复材料提供新策略。

　　

崔志涵|刘志文|张志新|王丹妮|陈涛宇|傅柏平|朱玲|赵龙|王哲

浙江大学医学院口腔医学院口腔医院，浙江省口腔疾病临床研究中心，杭州，310000，中华人民共和国

摘要

本研究介绍了一种创新的异多糖水凝胶系统，该系统通过羟丙基甲基纤维素-钙（HPMC-Ca）和羧甲基壳聚糖-磷酸（CMCS-P）的协同组合构建而成。这种双网络水凝胶充分利用了两种多糖的互补物理化学性质，实现了对牙釉质和牙本质的同步仿生矿化——解决了修复牙科领域长期存在的挑战。HPMC-Ca的疏水区域促进了钙离子的持续释放，形成了稳定的矿化储存库，而CMCS-P提供了与钙相互作用形成具有矿化能力的无定形磷酸钙（ACP）的磷酸源。此外，该水凝胶还充当了仿生模板，引导牙本质的再矿化并促进类似牙釉质结构的外延生长。先进的表征技术（包括FTIR、冷冻透射电子显微镜（Cryo-TEM）、分子模拟和纳米压痕）共同证明了HPMC和CMCS之间的分子级相互作用对矿化过程具有关键调控作用。值得注意的是，该系统在短短7天内就能恢复与天然牙齿组织相当的机械性能，证实了牙本质和牙釉质的有效再生。这项工作不仅阐明了多糖介导的生物矿化的基本机制，还为龋齿预防和修复材料的研究与开发提供了新的思路。

引言

龋齿是一种普遍的慢性疾病，全球约有35亿人受到影响，其特征是牙齿硬组织的逐渐脱矿（Balhaddad等人，2019年；Peres等人，2019年）。未经治疗的龋齿会导致牙釉质和牙本质损伤，可能进一步发展为牙髓炎和根尖炎，对社会经济产生重大影响（Cheng等人，2022年）。虽然传统治疗方法依赖于与天然牙齿结构明显不同的人工填充物（Bayne等人，2019年；Gauthier等人，2021年），但新兴的微创方法侧重于通过再矿化促进牙齿自我修复（Chen等人，2024年）。无定形磷酸钙（ACP）是关键的仿生矿化前体，但需要通过非胶原蛋白（NCPs）或其类似物（如酪蛋白磷酸肽（CPP）和羧甲基壳聚糖（CMCS）来稳定其相变（Chen等人，2021年；Dicecco等人，2023年；Lee等人，2023年；Lei等人，2024年；Li等人，2021年；Wang等人，2022年；Yu等人，2018年）。尽管当前的研究主要关注使用含ACP的溶液/凝胶单独对牙釉质或牙本质进行再矿化（Lei等人，2024年；Li等人，2023年），但由于两者矿化机制的不同，同时再生这两种组织仍然具有挑战性。近年来，应用矿化凝胶促进牙齿仿生矿化已成为研究热点。壳聚糖、琼脂、羟丙基甲基纤维素（HPMC）等水凝胶可以吸附在胶原蛋白上，其结构类似于NCPs，并且可以通过自身的羧基、磷酸基或羟基阴离子团与Ca²⁺螯合。当胶原蛋白表面的Ca²⁺浓度达到过饱和时，它会通过渗透、静电吸引等多种作用进入胶原蛋白，从而促进胶原蛋白的矿化（Lei等人，2023年；Wu等人，2023年；Zhang, Bi, & Guo, 2023年）。Malik等人制备了具有温度和热响应性的pluronicF127和HPMC复合注射凝胶，该凝胶比简单凝胶更能促进牙本质的矿化（Malik等人，2020年）。Moradian-Oldak团队合成了由壳聚糖、牙釉质蛋白和基质金属蛋白酶MMP-20组成的水凝胶系统。MMP-20用于调节晶体形态，该系统显著提高了修复后牙釉质的硬度（Prajapati等人，2018年）。

多糖是由单糖单元通过糖苷键连接而成的天然或合成聚合物。由于其生物相容性、可生物降解性和多样的物理化学性质，多糖已广泛应用于药物递送、组织工程和生物矿化等领域（Benalaya等人，2024年）。根据其生物来源或电荷特性，多糖可分为植物来源的（例如纤维素）、动物来源的（例如壳聚糖）或微生物来源的（例如右旋糖酐），并且可以是中性的（例如羟丙基甲基纤维素HPMC）、阴离子的（例如羧甲基纤维素）或阳离子的（例如壳聚糖）。这些结构和电荷特性对其溶解性、凝胶行为和离子结合能力起着关键作用。

在本研究中，我们重点关注两种化学改性的多糖：羟丙基甲基纤维素（HPMC）和羧甲基壳聚糖（CMCS），它们具有互补的物理化学性质，在生物矿化相关应用中具有巨大潜力。

纤维素是一种线性的β-1,4-葡聚糖，由于广泛的分子间和分子内氢键作用而本质上不溶于水。这种高度有序的氢键网络赋予了其高结晶度和机械稳定性，但限制了分子的移动性和水溶性（Etale等人，2023年）。HPMC是一种非离子型的纤维素醚，通过醚化纤维素获得。醚化提高了纤维素的水溶性和加工性，同时保留了多糖主链上的大量羟基。水合后，HPMC形成一种亲水性微孔凝胶，能够储存纳米颗粒。其分子链上的甲氧基和羟丙基可以形成疏水微区，从而促进纳米颗粒的释放（Zhu等人，2023年）。我们之前的研究已经证实，HPMC结构中的羟基有助于稳定ACP，HPMC和聚电解质在促进胶原蛋白和牙本质矿化方面具有协同作用。负载有无定形氟磷酸钙（AFCP）的HPMC可以防止牙釉质脱矿（Wang等人，2021年；Zhang等人，2024年）。

由于壳聚糖（CS）的刚性半结晶结构，其在水中的溶解度有限。CMCS是壳聚糖的阴离子衍生物，通过羧甲基化制备而成，其中羧甲基团共价接枝在壳聚糖主链的氨基和羟基位点上。这种化学修饰引入了带负电荷的羧基，破坏了天然壳聚糖的刚性半结晶结构，显著提高了其水溶性和凝胶化能力。此外，引入的羧基增强了CMCS对Ca²⁺的螯合能力，并为生物分子相互作用和仿生矿化提供了反应位点（Geng等人，2023年；Gonsalves等人，2021年）。先前的研究表明，复合凝胶可以增强凝胶的储存模量、稳定性和孔隙率，有利于纳米颗粒的释放。同时，凝胶可以提供三维有机基质支架，促进晶体生长，从而具有原位矿化的潜力（Das等人，2022年；Zhang, Bi, & Guo, 2023年）。

在这里，我们通过策略性的分子设计，合成了可注射的双多糖水凝胶系统，称为Calciphos矿化凝胶（CMG），该系统由羟丙基甲基纤维素-钙（HPMC-Ca）和羧甲基壳聚糖-磷酸（CMCS-P）组成。我们假设HPMC-CMCS水凝胶系统控制钙离子和磷酸/氟离子的释放，从而促进仿生无定形磷酸钙（ACP）的形成，进而实现牙本质和牙釉质的协调矿化。具体来说：（1）HPMC和CMCS形成的异质网络通过HPMC中的疏水微区和CMCS中的阴离子位点控制离子释放，延缓了Ca²⁺的扩散并引导PO?^3?/F^?的定位；（2）这种受控的离子微环境促进了仿生无定形磷酸钙（ACP）前体的形成和稳定；（3）ACP前体随后通过同时渗透牙本质胶原纤维并引导牙釉质表面的外延晶体生长来促进层次化的生物矿化。本研究旨在验证这些假设，从而证明工程多多糖相互作用的潜力，克服仿生矿化的基本限制，并提供一种基于碳水化合物聚合物的集成牙本质-牙釉质再生的新策略。

材料

羟丙基甲基纤维素（HPMC，CAS 9004-65-3，USP2910，20°C时2%水溶液的粘度为50 mPa·s，甲氧基：28.8%；羟丙基：8.2%）由上海阿拉丁生化科技有限公司提供，其分子量平均数（M_w）为122.751 KDa，数平均分子量（M_n）为15.268 KDa，多分散指数（PD，M_w/M_n）为8.040（结构表征见补充材料，图S1和S2）。羧甲基壳聚糖

表征

在本研究中，钙和磷凝胶分别储存，根据需要按等体积混合以获得ACP，同时防止其相变为HAp。CMG的制备过程如图1 A所示。SEM和TEM图像显示CMG内部分布着许多球形纳米颗粒。颗粒大小分析表明这些纳米颗粒的平均直径为83.39±8.73 nm（表S1），其中大部分颗粒分散良好，而少数颗粒则

结论

本研究证明，新型CMG利用HPMC-Ca和CMCS-P之间的协同作用，表现出优异的生物相容性和增强的矿化能力，在体外和体内环境中均有效促进了I型胶原蛋白和牙本质的仿生矿化。HPMC和CMCS形成的三维网络不仅稳定了无定形磷酸钙（ACP），实现了牙本质的再矿化，还充当了仿生模板，指导了

CRediT作者贡献声明

崔志涵：撰写——初稿、可视化、验证、方法学。刘志文：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、方法学。张志新：撰写——审稿与编辑、方法学、资金获取、正式分析、数据管理。王丹妮：软件应用、实验研究、正式分析、数据管理。陈涛宇：软件应用、正式分析、数据管理。傅柏平：监督、项目管理、方法学。朱玲：撰写——

未引用的参考文献

Mu?at等人，2021年

Wang等人，2025年

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

崔志涵、刘志文和张志新对这项工作做出了同等贡献。本工作得到了国家自然科学基金（编号：82471027）、浙江省医学与健康科学技术项目（编号：2025KY087）和福建省卫生健康委员会青年科学研究项目（编号：2023QNA090）的支持。我们感谢浙江大学医学院核心设施的Tingyu Liu在冷冻透射电子显微镜方面的帮助。同时，也感谢Nianhang Rong和Xi Zheng的帮助