中山大学周建华等团队Adv. Mater.：一种透明、可穿戴荧光牙垫用于对隐蔽牙齿病变的高敏感显示及精确定位

【研究背景】

以龋齿和牙周病为代表的牙齿疾病困扰了世界上约35%的人口，给医疗卫生系统带来了巨大的经济负担。对早期的龋齿和牙周病（尤其是隐藏病变）的筛查及治疗可有效避免其对牙齿及神经造成的永久性伤害。龋齿和牙周病的存在往往会引起食物嵌塞和残留，当一些含硫蛋白质被口腔中的厌氧菌分解时即可产生挥发性硫化物（Volatile sulfur compounds，VSCs）。因此，可通过检测VSCs来对早期的龋齿和牙周病进行筛查。目前针对VSCs的检测方式主要包括气相色谱及荧光/比色传感器，但这些检测方式针对的对象为呼出气体，并不能提供牙齿病变位置及病变程度的具体信息。

氧化锌（ZnO）纳米颗粒是一种生物相容性高、环境友好的荧光半导体材料，其发光性质与纳米颗粒的表面状态直接相关。含硫化合物会引起ZnO表面缺陷的消失而造成ZnO荧光的猝灭。聚二甲基硅氧烷（PDMS）是一种具有化学惰性和光学透明性的弹性材料，通过溶剂浇铸可对PDMS的形状、厚度及力学性质进行控制。因此，可结合两种材料各自的优点制备ZnO-PDMS纳米复合材料，并将其应用于对牙齿病变部位的精确定位。

【成果简介】

近日，中山大学的周建华教授与哈佛大学医学院Yu Shrike Zhang教授联合报道了将荧光ZnO纳米颗粒与PDMS混合制备ZnO-PDMS纳米复合材料，并开发出一种透明、弹性的可穿戴ZnO-PDMS牙垫以精确定位人体牙齿病变。实验表明，ZnO-PDMS牙垫对VSCs具有较高的灵敏度及特异性，在各种生理环境中均显示出极高的荧光稳定性，对人体表皮细胞表现出良好生物相容性及较低的生物毒性。进一步的受试者实验验证了所制备的ZnO-PDMS牙垫具有对受试者牙齿病变部位进行精确定位的能力，有望在临床对患者潜在的牙齿病变进行大规模、准确的初步筛查。该研究近日以题为“A Transparent, Wearable Fluorescent Mouthguard for High-Sensitive Visualization and Accurate Localization of Hidden Dental Lesion Site”发表在知名期刊Adv. Mater.上。

【图文导读】

图1. 病变部位局部释放的VSCs淬灭ZnO-PDMS牙垫的荧光

（A）ZnO-PDMS牙垫对牙齿病变部位释放的VSCs产生响应的示意图

（B）ZnO-PDMS牙垫显示牙齿病变部位的荧光照片

图2. ZnO-PDMS牙垫的制备

（A）ZnO-PDMS牙垫的制备示意图

（B）ZnO纳米颗粒及ZnO-PDMS纳米复合材料的荧光光谱

（C）ZnO纳米颗粒的TEM图像

（D）ZnO-PDMS纳米复合材料的荧光照片

（E-F）ZnO-PDMS牙垫的明场照片和荧光照片

（G-H）ZnO-PDMS牙垫在拉伸和扭转时的光学照片

图3. ZnO-PDMS牙垫的性质表征

（A-B）ZnO-PDMS牙垫在不同VSCs气体下暴露3 min后的荧光响应

（C）ZnO-PDMS牙垫在不同VSCs气体中长时间暴露的荧光强度变化

（D-E）ZnO-PDMS牙垫分别暴露于不同浓度H₂S气体及溶液的荧光强度变化

（F）ZnO-PDMS牙垫对H₂S的选择性响应

（G）ZnO-PDMS牙垫的机械稳定性

（H）ZnO-PDMS牙垫在37℃人工唾液中的稳定性

（I）ZnO-PDMS牙垫的pH稳定性

（J-K）ZnO-PDMS牙垫的细胞相容性

图4. ZnO-PDMS牙垫对模拟牙齿病变的定位

（A）人体恒牙齿位示意图

（B-D）在不同的齿位依次滴入不含（对照）/含H₂S的人工唾液后，ZnO-PDMS牙垫的荧光照片及相应齿位的荧光强度变化

（E-F）在多个齿位均滴加含多种VSCs的人工唾液后的荧光照片及荧光强度变化

图5. ZnO-PDMS牙垫用于定位人体牙齿隐藏病变

（A）健康受试者佩戴前后ZnO-PDMS牙垫的荧光照片及荧光强度的三维图像分析

（B–F）不同患者佩戴前后ZnO-PDMS牙垫的荧光照片及荧光强度的三维图像分析

（G）不同受试者佩戴后ZnO-PDMS牙垫在特定齿位的荧光强度监控

【结论展望】

研究团队通过将ZnO纳米颗粒与PDMS混合制备ZnO-PDMS纳米复合材料，并开发出一种能够便捷、灵敏地对隐藏牙齿病变进行检测及定位的可穿戴牙垫。这种ZnO-PDMS牙垫具有：1）成本低、制备简单、稳定性高；2）可对牙齿病变精确定位；3）透明、柔软、患者适应性高等优点，有助于对龋齿及牙周炎进行预防及早期治疗。未来，该牙垫有望发展成兼具诊断和治疗功能的诊疗平台，其应用范围亦可从牙科保健扩展到其他领域，如口腔生化检测、呼吸和胃肠道疾病诊断等，以开发其出他涉及公众健康的可穿戴检测装置。

文献链接：A Transparent, Wearable Fluorescent Mouthguard for High-Sensitive Visualization and Accurate Localization of Hidden Dental Lesion Sites（Adv. Mater.， 2020，DOI: 10.1002/adma.202000060）

【通讯作者介绍】

周建华博士：中山大学大学教授、博士生导师，中山大学“百人计划”引进人才，广东省引进创新创业团队核心成员（3/7）。2007年毕业硕士于清华大学（获清华优秀毕业生称号）。2007-2011年在香港科技大学攻读博士学位（期间，2009年获福布莱特奖在华盛顿大学圣路易斯生物医学工程系联合培养）。2012年在日本东北大学从事博士后研究工作。2013年赴英国斯旺西大学开展合作研究。2019年在哈佛大学开展合作研究。2013年入选广州市“珠江科技新星”，2014年获批“广东特支计划”科技创新青年拔尖人才。2017年入选科技部“中国-加拿大安大略青年科学家交流计划”。长期从事微纳制造、微流控芯片、生物医学微纳检测与传感、快速检测技术、微纳诊疗技术和人工组织器官的研究。近五年主持包括国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目和青年项目、广东省自然科学基金等近十项国家、省市科研项目。目前已发表SCI论文60余篇，其中包括本领域主流期刊Nat. Communications, Proc. Nati. Acad. Sci., Angew Chem., Adv. Mater., Small, Lab Chip, Adv. Funct. Mater., Biosens. Bioelectron., Anal. Chem.等；申请30余项国家发明专利。获2017年广东省科学技术二等奖（4/9）。

Yu Shrike Zhang：Prof. Zhang received a B.Eng. in Biomedical Engineering from Southeast University, China in 2008, after which he then obtained a M.S. in Biomedical Engineering from Washington University in St. Louis (2011) and a Ph.D. in Biomedical Engineering at Georgia Institute of Technology and Emory University School of Medicine (2013). Prof. Zhang then pursued postdoctoral training at Brigham and Women’s Hospital, Harvard Medical School, Harvard-MIT Division of Health Sciences and Technologies, and Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering.

Prof. Zhang is currently a Research Faculty at Harvard Medical School and Associate Bioengineer at the Brigham and Women’s Hospital. His research is focused on innovating medical engineering technologies, including 3D bioprinting, organs-on-chips, microfluidics, biomedical imaging, and biosensing, to recreate functional tissues and their biomimetic models. In collaboration with a multidisciplinary team encompassing biomedical, mechanical, electrical, and computer engineers as well as biologists and clinicians, his laboratory seeks to ultimately translate these cutting-edge technologies into the clinics. He is an author of >120 publications and his scientific contributions have been recognized by >40 international, national, and regional awards. More information can be found on his website. (www.shrikezhang.com).