《Materials Today Bio》：Core-shell Microneedles Co-loaded with Simvastatin and Doxycycline for Combined Anti-infection and Osteogenesis in Diabetic Periodontitis
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糖尿病性牙周炎是一类以持续感染、氧化应激及牙槽骨再生障碍为特征的临床难治性疾病。针对这一挑战，研究人员开发了一种工程化核壳微针（Microneedle, MN）贴片，可实现多西环素（Doxycycline）与辛伐他汀（Simvastatin）的分阶段释放，从而
糖尿病性牙周炎是一类以持续感染、氧化应激及牙槽骨再生障碍为特征的临床难治性疾病。针对这一挑战，研究人员开发了一种工程化核壳微针（Microneedle, MN）贴片，可实现多西环素（Doxycycline）与辛伐他汀（Simvastatin）的分阶段释放，从而在牙周病灶内实现抗菌与成骨的协同效应。该微针的外层由聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol, PVA）构成，刺入牙龈组织后迅速溶解，实现多西环素的突释以快速清除病原菌；内核由聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinylpyrrolidone, PVP）组成，负载包裹辛伐他汀的聚多巴胺纳米粒（Polydopamine Nanoparticles, PDA NPs，简写为Sim@PDA NPs），提供长效缓释，并利用PDA固有的活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）清除能力缓解局部氧化应激，促进成骨分化；丝素蛋白背衬层则确保多西环素的长期释放，防止细菌再定植并维持再生微环境。体外实验表明，Doxy/SIM-MNs对牙龈卟啉单胞菌（Porphyromonas gingivalis）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）表现出强效的抗菌及抗生物膜活性，具有良好的细胞相容性，并能显著诱导间充质干细胞的碱性磷酸酶（Alkaline Phosphatase, ALP）活性、矿化结节形成及成骨基因表达。在糖尿病性牙周炎大鼠模型中，该微针显著减轻炎性破坏，增强牙槽骨再生，并通过解除Wnt信号通路的负调控、抑制核因子κB（Nuclear Factor-κB, NF-κB）信号通路及细胞凋亡，重建牙周稳态。该分级时序释药微针平台为糖尿病相关牙周炎及其他慢性炎症性骨病提供了一种具有临床转化潜力的整合治疗策略。
研究背景与意义
牙周炎是由菌斑微生物感染引发的慢性炎性疾患，可导致牙周支持组织破坏、附着丧失及牙槽骨吸收，最终造成牙齿缺失，严重影响口腔功能与全身健康。流行病学数据显示，其在全球范围内发病率极高，并与心血管疾病、2型糖尿病等多种系统性疾病密切相关。糖尿病被公认为牙周炎的重要危险因素，两者之间存在双向关系：高血糖通过过量产生活性氧（ROS）、晚期糖基化终末产物（Advanced Glycation End Products, AGEs）及促炎介质加剧牙周炎症，而严重的牙周炎又会反过来恶化血糖控制。目前，临床上常规的基础治疗虽能延缓疾病进展，但难以在糖尿病造成的长期炎症微环境下实现受损软硬组织的有效再生。此外，局部给药虽优于全身用药，却常因唾液冲刷及口腔功能活动难以在牙周袋内维持有效药物浓度。因此，开发能够同时对抗感染并促进糖尿病状态下牙周组织再生的创新治疗策略具有重要的科学与临床意义。该研究发表于《Materials Today Bio》。
主要关键技术方法
研究人员采用两步浇筑离心法制备了具有核壳结构的溶解微针贴片。首先合成聚多巴胺纳米粒（PDA NPs）并负载辛伐他汀（Sim@PDA NPs），随后将其与多西环素分别载入微针的内核与外壳，并以丝素蛋白构建背衬层以实现时序释药。体外研究采用大鼠间充质干细胞C3H10T1/2评估细胞相容性、抗菌性能及成骨分化能力。体内研究使用高脂饮食联合链脲佐菌素（Streptozotocin, STZ）诱导的糖尿病大鼠模型，通过结扎法建立牙周炎，并将动物随机分为对照组、空白微针组、单药微针组、联合载药微针组及阳性对照凝胶组进行干预。治疗结束后，利用显微计算机断层扫描（Micro-Computed Tomography, Micro-CT）评估牙槽骨形态计量学参数，结合苏木精-伊红（Hematoxylin and Eosin, H&E）染色、抗酒石酸酸性磷酸酶（Tartrate-Resistant Acid Phosphatase, TRAP）染色及免疫组化分析组织病理变化。最后，通过对牙龈组织进行转录组测序（RNA Sequencing, RNA-seq）解析其分子机制。
研究结果
3.1 纳米粒的合成与表征
研究人员成功合成了Sim@PDA NPs，其呈均匀球形，水动力学直径约为244 nm。傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）及X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）证实了辛伐他汀的成功包封。体外抗氧化实验显示，该纳米粒具有显著的超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase, SOD）样活性，对DPPH自由基及羟基自由基（·OH）的清除率接近90%。细胞实验证实，Sim@PDA NPs在100 μg/mL浓度下细胞存活率仍高于95%，并能有效降低过氧化氢诱导的细胞内ROS水平，表明其兼具优异的生物相容性与抗氧化能力。
3.2 微针贴片的制备与表征
制备的微针阵列排列规整，单针高度约850 μm，具有清晰的核壳分界。机械强度测试表明单针可承受超过0.92 N的力，足以穿透离体猪牙龈组织。释药曲线显示，外层PVA中的多西环素在前2小时内释放约85%，实现即刻杀菌；内核PVP中的辛伐他汀在24小时内释放超过80%；背衬层丝素蛋白中的多西环素可持续释放长达16天。这种分阶段释放模式精准匹配了抗感染与再生的治疗时序需求。
3.3 微针的抗菌性能评估
体外抑菌实验表明，载多西环素的微针对牙龈卟啉单胞菌和金黄色葡萄球菌均形成了明显的抑菌圈，直径与临床常用药米诺环素凝胶相当。活死染色及扫描电镜观察发现，经处理后的细菌细胞膜破裂、内容物泄漏，导致大量死亡。此外，该微针对成熟及未成熟的牙龈卟啉单胞菌生物膜均表现出显著的抑制作用，生物量破坏率最高可达83%以上。
3.4 微针的体外生物安全性
溶血实验结果显示，微针提取液的溶血率低于5%，且红细胞形态完整。细胞活死染色显示，C3H10T1/2细胞经微针提取物处理后主要呈现活细胞绿色荧光，几乎无红色死细胞信号，证实了其良好的血液相容性与细胞相容性。
3.5 微针的体外促成骨分化潜能
经微针处理的C3H10T1/2细胞在第7天和第14天表现出显著增强的ALP活性及钙结节沉积。免疫荧光及蛋白质印迹（Western Blot）分析显示，成骨标志物骨钙素（Osteocalcin, OCN）和Runt相关转录因子2（Runt-related transcription factor 2, RUNX2）的表达显著上调。实时荧光定量PCR（Quantitative Real-time PCR, RT-qPCR）结果进一步证实，联合载药微针（Doxy/SIM-MNs）能最显著地上调Alp、Runx2、Col1和Ocn的基因表达，表明其具有最强的成骨诱导能力。
3.6 糖尿病性牙周炎大鼠模型的建立
研究人员通过高脂饮食联合STZ腹腔注射成功建立了2型糖尿病大鼠模型，空腹血糖维持在16.7 mmol/L以上。在此基础上通过磨牙颈部结扎成功诱导了牙周炎，模型动物表现出典型的牙周袋形成、牙龈红肿及牙槽骨吸收。
3.7 微针对大鼠糖尿病性牙周炎的治疗效果
体内治疗结果显示，Doxy/SIM-MNs组大鼠的牙槽骨吸收最少，根长暴露小于三分之一。Micro-CT定量分析表明，该组的骨体积分数（Bone Volume/Total Volume, BV/TV）、骨小梁厚度（Trabecular Thickness, Tb.Th）及骨小梁数量（Trabecular Number, Tb.N）均显著高于对照组。组织学分析显示，Doxy/SIM-MNs显著减少了TRAP阳性的破骨细胞数量，并增强了OCN的蛋白表达，有效促进了牙周组织的再生与重塑。
讨论与结论
转录组测序分析揭示，Doxy/SIM-MNs治疗显著上调了Ibsp、Mgp和Col11a2等成骨相关基因，下调了Cxcl1、Fosl1等炎性介质。基因本体论（Gene Ontology, GO）富集分析表明，治疗组主要富集于骨化与结缔组织发育过程，而对照组则富集于促炎与凋亡过程。机制研究表明，该疗法通过解除Wnt信号通路负调控因子（如Nkd1、Nkd2、Dkk2）的抑制，同时抑制NF-κB信号通路及cleaved caspase-3介导的细胞凋亡，从而重构了利于再生的转录景观。
综上所述，该研究成功开发了一种核壳型微针贴片，通过“先抗感染、后促再生”的时序释药策略，有效解决了糖尿病性牙周炎中感染控制与组织再生难以兼顾的难题。该平台不仅实现了多西环素的长效局部维持与辛伐他汀的高效递送，还利用PDA的抗氧化特性改善了局部微环境，为糖尿病相关慢性炎症性骨缺损的治疗提供了一种极具临床转化前景的新范式。
