《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Advances in the application of novel smart hydrogels for periodontal tissue regeneration
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牙周炎是一种由病原微生物引起的持续性炎症性疾病，主要特征为牙支持结构（即牙周膜、牙骨质和牙槽骨）及相关牙龈组织的进行性破坏。水凝胶基质凭借其优异的细胞相容性特征，日益被视为调控牙周组织修复与功能重建的可行治疗支架。本综述阐述了基于水凝胶的牙周再生的基本要求，并
牙周炎是一种由病原微生物引起的持续性炎症性疾病，主要特征为牙支持结构（即牙周膜、牙骨质和牙槽骨）及相关牙龈组织的进行性破坏。水凝胶基质凭借其优异的细胞相容性特征，日益被视为调控牙周组织修复与功能重建的可行治疗支架。本综述阐述了基于水凝胶的牙周再生的基本要求，并重点介绍了近期在智能刺激响应性水凝胶领域的进展，包括响应内源性刺激（活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）、基质金属蛋白酶（Matrix Metalloproteinases, MMPs））与外源性刺激（温度、光、电场、pH）的材料体系。研究人员描述了创新制备策略、潜在响应机制及相关分子信号通路。此外，综述批判性评估了可调节口腔菌群稳态以构建利于骨再生的免疫微环境的益生菌-水凝胶复合材料，以及通过持续释放金属离子实现抗菌、抗氧化与成骨活性的金属有机框架（Metal-Organic Framework, MOF）基水凝胶。本综述展示了开发新型智能功能材料的多元化设计策略，并为牙周炎的精准治疗奠定了理论基础。
1 引言
牙周炎导致的牙槽骨吸收通常表现为不规则形态。传统治疗手段主要包括龈上洁治与龈下刮治。然而，当牙周袋加深伴随组织破坏时，辅助性牙周手术成为必要。彻底清除龈下感染灶并有效管理牙周袋是阻止疾病进展的关键环节。尽管如此，在此类局部干预中实现治疗药物在病灶部位的高效、持续递送仍是一项重大挑战。注射用水凝胶因其优异的生物相容性与生物可降解性，已成为该领域极具前景的研究对象。其独特的溶胶-凝胶转变特性使其能够在单次微创注射后实现原位凝胶化，从而避免重复侵入性操作，同时为骨组织再生提供支架。水凝胶是由共价或非共价交联模式稳定的三维亲水性聚合物结构，能够吸收并保持大量水介质而不破坏其结构完整性。其高含水量提供了理想的柔韧性与生物相容性，且其渗透压与细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）紧密匹配，从而促进细胞粘附、增殖及营养交换。然而，用于牙周治疗的理想水凝胶必须满足严格的多功能标准，包括适宜的孔隙率、良好的力学性能、互连多孔结构以实现控释、体内可降解且降解产物无毒无炎性反应、降解动力学与药物释放曲线相匹配以确保持续疗效、足够的组织粘附性以防止移位，以及集成的抗菌抗炎功能以调节牙周炎复杂的微环境。本综述批判性回顾了水凝胶在牙周组织再生中的应用，阐述了水凝胶开发的关键设计参数，总结了常规水凝胶系统在牙周组织工程中的进展，并整合了下一代智能水凝胶的最新突破，从而为牙周再生策略提供全面的参考框架。
2 牙周组织再生水凝胶的设计考量
2.1 适宜的孔隙率
水凝胶的孔结构是决定牙周组织再生成败的核心工程参数，其影响贯穿物质传输、细胞行为调控及力学支撑的全过程。首先，高孔隙率与连通性是组织长入与物质传输的前提：研究表明，孔隙率为46%的单组分P11-4/8自组装肽水凝胶显著增强了细胞粘附与增殖，而孔隙率约为80%的支架则为干细胞提供了有利微环境并上调成骨基因表达。其次，水凝胶支架的表面与内部孔隙具有结构与功能的特异性分化，基于此，研究人员设计了具有致密表面层抵抗细菌定植、多孔层支持成骨的Janus结构水凝胶，以及致密层防止软组织长入、蜂窝层促进骨再生的双层水凝胶膜。此外，孔结构对营养物质与氧气的扩散具有决定性影响，孔隙率、孔径与孔隙连通性共同调控内部物质传输效率。大孔结构已被证实可增强扩散并促进血管化骨再生。然而，孔隙率与力学性能之间存在复杂的权衡关系：高孔隙率利于细胞浸润但会削弱机械强度。这种关系可通过纳米材料掺杂进行优化，例如通过调节丝素蛋白纳米纤维浓度构建具有高模量（>400 kPa）与大孔结构的多孔冷冻凝胶，实现了力学性能与孔隙率的优化整合。综上所述，精确平衡孔隙连通性、层级功能性、扩散效率与机械性能对于功能性牙周再生至关重要，未来应通过3D打印与冷冻铸造等先进技术系统优化孔结构。
2.2 适宜的力学性能
为了维持水凝胶在骨再生过程中的力学完整性，必须充分考虑机械转导（Mechanotransduction）——这一细胞感知并响应细胞外基质力学微环境、连接固态物理层面力学信号与分子生物学层面细胞行为调控的核心生物学过程。在众多力学线索中，基质弹性模量是最具特征性的关键参数，它不仅是物理属性，更是细胞通过整合素-细胞骨架途径感知并转化为生化信号的核心调控因子。大量证据表明，弹性模量与天然骨组织匹配的基质可主动引导间充质干细胞的成骨谱系定向。具体而言，当水凝胶刚度与天然骨组织匹配时，YAP/TAZ等机械敏感通路被激活，从而定向诱导成骨分化。因此，可通过调节交联密度、掺入纳米羟基磷灰石（Nano-Hydroxyapatite, HAP）或纤维、构建互穿聚合物网络来优化水凝胶力学性能。研究显示，在NapAlen/HAP超分子体系中，最佳HAP浓度不仅增强了力学性能，还有助于三维多孔结构的形成，显著促进牙周骨再生。当代研究证实，由5%明胶与10%锂皂石组成的纳米复合水凝胶，经骨髓间充质基质细胞来源的小细胞外囊泡（Bone Marrow-derived Mesenchymal Stromal Cells-derived small Extracellular Vesicles, BMSC-sEVs）功能化后，表现出长期的释放动力学，在大鼠模型中显著减轻牙槽骨吸收、炎性细胞浸润及胶原基质降解，同时表现出良好的骨传导性与可控降解特性。
2.3 适宜的降解速率
水凝胶的降解速率是牙周组织再生的关键因素，需要在维持足够力学支撑的同时，调节局部微环境的动态稳态以引导受控的组织再生，最终实现材料降解与新组织形成的同步。降解速率不足会限制再生骨组织的扩展空间并延缓修复进程；反之，过快的降解会导致支架结构过早塌陷，破坏再生微环境的稳定性。此外，降解产物的生物学效应也深刻影响再生结果。水凝胶降解过程中释放的小分子片段或离子种类可通过改变局部pH、渗透压和离子浓度，直接间接调控巨噬细胞极化、成骨细胞活性及血管生成。若酸性降解产物积累，可能引发慢性炎症反应并损害骨结合。研究显示，将高浓度β-磷酸三钙（β-Tricalcium Phosphate, β-TCP）掺入壳聚糖/胶原复合支架可显著降低崩解率，这归因于β-TCP表面的阳离子基团与基质内阴离子基团之间的静电相互作用增强。值得注意的是，β-TCP降解过程中释放的Ca2+与PO43-离子本身就是骨矿化的核心无机成分，能够主动促进成骨分化，同时延缓结构塌陷，体现了“降解动力学-副产物生物学功能”的协同设计原则。因此，水凝胶的降解动力学必须与牙周组织再生的不同阶段精确匹配。
2.4 适宜的组织粘附性、抗菌及抗炎性能
水凝胶还应具备抗菌、抗炎及湿粘附特性。受贻贝粘附机制启发，研究人员开发了单宁酸-丝素蛋白-盐酸米诺环素三元体系（Tannic Acid-Silk Fibroin-Minocycline Hydrochloride, TSM）。该系统可在湿润的牙周袋中稳定粘附长达28天，实现药物持续释放，有效抑制牙周病原体，减少炎症与骨吸收，并表现出良好的生物相容性与临床应用潜力。此外，通过将壳聚糖与抗菌肽功能化聚乙二醇共价偶联，构建了双功能抗菌结构（CS-PA），随后将其浸渍于包裹姜黄素的生物可降解纳米球（Curcumin-loaded Nanoparticles, CNP）中，得到CS-PA/CNP杂化水凝胶。在高血压牙周炎小鼠模型中，将该复合材料局部递送至龈沟，显示出持续的免疫抑制功效并显著改善疾病病理生理状态。
3 用于牙周组织再生的常规水凝胶
由于其固有的三维网络结构、优异的生物相容性及可调的物理化学性质，常规水凝胶早期被广泛用于牙周组织再生研究，以构建药物递送系统、细胞递送平台及支架或膜材料，在促进组织修复与再生中展现出多重功能。
3.1 药物递送系统
在牙周炎局部治疗中，传统给药系统受复杂机械应力与持续唾液冲刷影响，难以在牙周袋内稳定滞留，易发生移位、脱落甚至误吞；频繁给药也降低了患者舒适度与依从性。相比之下，凝胶类软植入系统具有极佳的可塑性，可微创填充不规则牙周腔隙，实现药物长效滞留，减少疼痛与不适，已成为牙周炎精准治疗的重要研究方向。与传统抗生素疗法相比，水凝胶凭借其控释、靶向递送及优异生物相容性，已成为牙周局部抗菌的理想载体。其中，药物释放动力学的选择直接影响治疗效果：爆发式释放可快速控制急性感染，但可能损害细胞活力并诱导细菌耐药；而控释能在亚抑菌浓度下维持持续抗菌活性，却可能延迟感染控制。因此，最优策略是实现双相释放——早期适度爆发以控制感染，随后稳态控释以促进再生。同时，降解产物的逐步释放有助于巨噬细胞及时从M1促炎表型向M2修复表型过渡，而爆发式释放可能因强烈的局部刺激延长M1状态，从而损害修复效果。
3.2 细胞与生长因子递送平台
干细胞是牙周再生策略的关键细胞基质，这归因于其自我更新及多向分化为多种谱系的内在能力。常见的间充质干细胞包括牙龈间充质干细胞（Gingival Mesenchymal Stem Cells, GMSCs）、骨髓间充质干细胞（Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells, BMSCs）和牙周膜干细胞（Periodontal Ligament Stem Cells, PDLSCs），它们可分化为成骨细胞、成纤维细胞等以促进牙周组织修复。在干细胞移植中，水凝胶主要作为细胞递送平台，其核心功能是提供结构支撑；其三维多孔微结构为细胞粘附、铺展和增殖提供必要的物理锚定位点与空间拓扑线索。相反，在生长因子应用中，水凝胶则作为生长因子递送系统，旨在实现生物活性分子的时空控释。牙周组织本身是一个从牙骨质延伸至牙周膜再到牙槽骨的梯度结构。研究人员设计了能够时空调节骨-免疫微环境的分层分层纳米纤维支架，以促进牙周骨再生。此外，水凝胶可通过将生长因子限制在基质内，有效减轻其蛋白水解降解、爆发释放及非靶向扩散，从而延长半衰期并减少不良反应。
3.3 支架与膜材料
在牙周组织工程中，支架材料需要模拟细胞外基质以提供支持细胞定植并引导有序组织再生的三维微环境。凭借优异的生物相容性、可调的物理化学性质及仿生能力，水凝胶被广泛视为引导组织再生（Guided Tissue Regeneration, GTR）与引导骨再生（Guided Bone Regeneration, GBR）中屏障膜的理想候选材料。研究人员开发了掺入纳米羟基磷灰石（nHAP）的可注射多糖水凝胶支架，在大鼠牙槽骨缺损模型中，该支架在4周内完全降解，显著促进新骨形成且无显著炎症反应，表现出优异的成骨活性与生物安全性。在此基础上，进一步将羟基磷灰石与海藻酸钠结合构建力学增强的水凝胶膜，整合了海藻酸钠的生物降解性与原位凝胶化特性以及羟基磷灰石的成骨诱导能力，在增强力学性能的同时有效促进牙周组织修复，显示出作为功能性GTR膜的转化潜力。
4 牙周组织再生中的智能水凝胶
智能水凝胶递送系统作为骨骼组织重建的有力手段已获得广泛应用。近年来，刺激响应性水凝胶的开发引起了极大关注。这些水凝胶能够感知局部微环境的变化，并特异性响应外源性刺激（如温度、光、机械力）或内源性信号（如活性氧、特定酶活性），从而动态调节药物释放、力学性能或生物活性，以优化其在组织再生中的治疗效果。
4.1 外源性刺激
4.1.1 温敏水凝胶
温敏水凝胶制剂在环境条件下保持流体行为，可通过微创注射精确递送至牙周袋；当暴露于口腔环境（约37°C）时，它们迅速发生溶胶-凝胶相变以实现原位凝胶化。在下临界溶液温度
