细菌与口腔护理

作为一种细菌环境，人类的口腔中栖息着数百种不同的细菌，其中一些细菌通过不可逆的附着、繁殖、分化和分泌高度结构化的水溶性多糖，如胞外多糖（EPS），形成口腔致病性生物膜。而细菌在生物膜上的生长和繁殖又会进一步形成牙菌斑。而 聚集在菌斑微生物生态网络中的高密度产酸细菌的糖代谢活性可产生高度酸性的微环境（pH<5.5），持续软化邻近牙釉质并造成牙周组织损伤；同时，生物膜内的休眠细菌还可导致局部慢性感染的复发。

不仅如此，各种饮料和食物中的污渍还会引起外源性牙齿着色——这些污渍被生物膜表面的粘性物质吸收，形成菌斑和牙垢，然后碳水化合物和蛋白质之间的非酶褐变产生或保留发色团，使牙齿逐渐变黄或变黑。而内源性牙齿着色行为则与牙髓有关。对牙髓的物理、化学或细菌刺激可能导致牙髓组织坏死，其中的有害副产物会释放深入牙本质小管并使整个牙齿变色。然而，受治疗材料自然扩散、催化效率有限、抗菌性能弱和外部物理刺激（光源、磁场）的影响，目前大多数的护理治疗策略并不适合于日常和长期实施，而更重要的是，这些策略也缺乏破坏成熟生物膜的能力。

新型口腔预防治疗材料

有鉴于此，华南理工大学杨中民教授、李丽华助理研究员和中山大学附属口腔医院许跃主任医师等人报道了一种铜掺杂碳点（Cu-CDs）材料，其可在口腔环境中表现出强化催化（类过氧化氢酶、类过氧化物酶）活性，以抑制初始细菌（变形链球菌）粘附，并通过产生氧气和活性氧（ROS）来清除生物膜，同时不影响周边的口腔组织。研究显示，Cu-CDs对脂多糖（LPS）和肽聚糖（PGN）表现出很强的亲和力，从而可对革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌）和革兰氏阴性菌（大肠杆菌）产生极好的抗菌能力，最终可防止伤口脓性感染并促进伤口快速愈合。此外，与其他替代品（如CDs和临床使用的H2O2）相比，Cu-CDs/H2O2系统在牙齿美白方面表现出更好的性能，因此研究认为生物相容性的Cu-CDs是一种很有前景的纳米漱口水，具有消除口腔致病性生物膜、促进伤口愈合和牙齿美白等多重功效。相关工作以“Copper Doped Carbon Dots for Addressing Bacterial Biofilm Formation, Wound Infection, and Tooth Staining”为题发表在ACS Nano。

【文章要点】

一、Cu-CDs的制备表征

与复杂的“自上而下”合成相比，以有机小分子为碳源的“自下而上”合成是一种更加有效的CDs制备方法。因此，在这项工作中，作者通过使用水热法直接热解盐酸胍和柠檬酸来合成CDs。与此同时，将氯化铜按比例添加到上述溶液中可获得铜掺杂CDs。Cu 2p光谱显示，Cu-CDs具有四个主峰，932.99和933.86 eV处的峰归属于Cu+和Cu2+的Cu 2p3/2特征，952.92和954.52 eV处的峰归属于Cu+和Cu2+的Cu 2p1/2特征，这些特征为酶促反应提供了结构基础，也证实了铜对碳量子点的成功掺杂（图1）。

图1 Cu-CDs的表征

二、类酶活性

实验显示，这一超小Cu-CDs表现出了优异的类过氧化氢酶（CAT）和类过氧化物酶（POD）活性。因此，当材料以漱口水的形式进入口腔时，Cu-CDs可催化微环境中的过氧化氢产生氧气和羟基自由基，且这两个酶促反应还表现出了相互协同的效应，更加有利于进行抗菌治疗活动（图2）。

图2 Cu-CDs展现出类过氧化氢酶和类过氧化物酶活性

三、抗癌效力

进一步的实验显示，Cu-CDs对肽聚糖（PGN）和脂多糖（LPS）具有很强的结合亲和力，确保了对细菌细胞的有效捕获，因此可对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和变形链球菌展现出优异的抗菌作用。此外，研究还使用感染性皮肤创伤大鼠模型测试了Cu-CDs抗感染和加速伤口愈合的效果。研究表明，Cu-CDs可通过气泡（氧气）的物理作用和活性氧的化学作用，双重高效清除牙冠上的变形链球菌生物膜，并表现出良好的牙齿美白效果。Cu-CDs纳米漱口水在微酸性（致龋性）pH值下暴露于低水平H2O2时，既能满足清除细菌和破坏生物膜结构的要求，又能氧化发色团以实现牙齿美白效果。（图3）。

图3 具有双类酶催化活性的Cu-CDs用于预防治疗口腔疾病

结论：综上所述，作者合成了一种基于类酶作用的高效生物材料Cu-CDs，可用于抵抗口腔病原体、抗生物膜、感染诱导伤口愈合和着色牙齿美白。这一Cu-CDs具有口腔适应性的类POD和类CAT活性，可产生高水平氧气和ROS（如•OH）。Cu-CDs与细菌细胞壁衍生的LPS（或PGN）之间表现强大的结合力，可显著促进细菌与生物膜组成细胞的有效结合，并通过催化活化实现抗菌和大部分生物膜的解离。Cu-CDs不仅可持续冲洗感染诱导的伤口，还能通过抗感染和刺激胶原沉积显著促进伤口愈合。同时，基于Cu-CD/H2O2系统所产生的活性氧，可在不破坏口腔组织的情况下美白各种内源性和外源性牙菌斑。毒性和生物分布研究还表明，生物相容性良好的Cu-CDs不会导致细胞损伤和组织积聚，因此在临床转化方面也具有一定的潜力。总的来说，基于智能生物活性Cu-CDs，这项工作为口腔保健和减轻口腔疾病的负担提供了更方便、更经济的日常策略。