中山大學周建華等團隊Adv. Mater.：一種透明、可穿戴熒光牙墊用于對隱蔽牙齒病變的高敏感顯示及精確定位

【研究背景】

以齲齒和牙周病為代表的牙齒疾病困擾了世界上約35%的人口，給醫療衛生系統帶來了巨大的經濟負擔。對早期的齲齒和牙周病（尤其是隱藏病變）的篩查及治療可有效避免其對牙齒及神經造成的永久性傷害。齲齒和牙周病的存在往往會引起食物嵌塞和殘留，當一些含硫蛋白質被口腔中的厭氧菌分解時即可產生揮發性硫化物（Volatile sulfur compounds，VSCs）。因此，可通過檢測VSCs來對早期的齲齒和牙周病進行篩查。目前針對VSCs的檢測方式主要包括氣相色譜及熒光/比色傳感器，但這些檢測方式針對的對象為呼出氣體，并不能提供牙齒病變位置及病變程度的具體信息。

氧化鋅（ZnO）納米顆粒是一種生物相容性高、環境友好的熒光半導體材料，其發光性質與納米顆粒的表面狀態直接相關。含硫化合物會引起ZnO表面缺陷的消失而造成ZnO熒光的猝滅。聚二甲基硅氧烷（PDMS）是一種具有化學惰性和光學透明性的彈性材料，通過溶劑澆鑄可對PDMS的形狀、厚度及力學性質進行控制。因此，可結合兩種材料各自的優點制備ZnO-PDMS納米復合材料，并將其應用于對牙齒病變部位的精確定位。

【成果簡介】

近日，中山大學的周建華教授與哈佛大學醫學院Yu Shrike Zhang教授聯合報道了將熒光ZnO納米顆粒與PDMS混合制備ZnO-PDMS納米復合材料，并開發出一種透明、彈性的可穿戴ZnO-PDMS牙墊以精確定位人體牙齒病變。實驗表明，ZnO-PDMS牙墊對VSCs具有較高的靈敏度及特異性，在各種生理環境中均顯示出極高的熒光穩定性，對人體表皮細胞表現出良好生物相容性及較低的生物毒性。進一步的受試者實驗驗證了所制備的ZnO-PDMS牙墊具有對受試者牙齒病變部位進行精確定位的能力，有望在臨床對患者潛在的牙齒病變進行大規模、準確的初步篩查。該研究近日以題為“A Transparent, Wearable Fluorescent Mouthguard for High-Sensitive Visualization and Accurate Localization of Hidden Dental Lesion Site”發表在知名期刊Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1. 病變部位局部釋放的VSCs淬滅ZnO-PDMS牙墊的熒光

（A）ZnO-PDMS牙墊對牙齒病變部位釋放的VSCs產生響應的示意圖

（B）ZnO-PDMS牙墊顯示牙齒病變部位的熒光照片

圖2. ZnO-PDMS牙墊的制備

（A）ZnO-PDMS牙墊的制備示意圖

（B）ZnO納米顆粒及ZnO-PDMS納米復合材料的熒光光譜

（C）ZnO納米顆粒的TEM圖像

（D）ZnO-PDMS納米復合材料的熒光照片

（E-F）ZnO-PDMS牙墊的明場照片和熒光照片

（G-H）ZnO-PDMS牙墊在拉伸和扭轉時的光學照片

圖3. ZnO-PDMS牙墊的性質表征

（A-B）ZnO-PDMS牙墊在不同VSCs氣體下暴露3 min后的熒光響應

（C）ZnO-PDMS牙墊在不同VSCs氣體中長時間暴露的熒光強度變化

（D-E）ZnO-PDMS牙墊分別暴露于不同濃度H₂S氣體及溶液的熒光強度變化

（F）ZnO-PDMS牙墊對H₂S的選擇性響應

（G）ZnO-PDMS牙墊的機械穩定性

（H）ZnO-PDMS牙墊在37℃人工唾液中的穩定性

（I）ZnO-PDMS牙墊的pH穩定性

（J-K）ZnO-PDMS牙墊的細胞相容性

圖4. ZnO-PDMS牙墊對模擬牙齒病變的定位

（A）人體恒牙齒位示意圖

（B-D）在不同的齒位依次滴入不含（對照）/含H₂S的人工唾液后，ZnO-PDMS牙墊的熒光照片及相應齒位的熒光強度變化

（E-F）在多個齒位均滴加含多種VSCs的人工唾液后的熒光照片及熒光強度變化

圖5. ZnO-PDMS牙墊用于定位人體牙齒隱藏病變

（A）健康受試者佩戴前后ZnO-PDMS牙墊的熒光照片及熒光強度的三維圖像分析

（B–F）不同患者佩戴前后ZnO-PDMS牙墊的熒光照片及熒光強度的三維圖像分析

（G）不同受試者佩戴后ZnO-PDMS牙墊在特定齒位的熒光強度監控

【結論展望】

研究團隊通過將ZnO納米顆粒與PDMS混合制備ZnO-PDMS納米復合材料，并開發出一種能夠便捷、靈敏地對隱藏牙齒病變進行檢測及定位的可穿戴牙墊。這種ZnO-PDMS牙墊具有：1）成本低、制備簡單、穩定性高；2）可對牙齒病變精確定位；3）透明、柔軟、患者適應性高等優點，有助于對齲齒及牙周炎進行預防及早期治療。未來，該牙墊有望發展成兼具診斷和治療功能的診療平臺，其應用范圍亦可從牙科保健擴展到其他領域，如口腔生化檢測、呼吸和胃腸道疾病診斷等，以開發其出他涉及公眾健康的可穿戴檢測裝置。

文獻鏈接：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）

【通訊作者介紹】

周建華博士：中山大學大學教授、博士生導師，中山大學“百人計劃”引進人才，廣東省引進創新創業團隊核心成員（3/7）。2007年畢業碩士于清華大學（獲清華優秀畢業生稱號）。2007-2011年在香港科技大學攻讀博士學位（期間，2009年獲福布萊特獎在華盛頓大學圣路易斯生物醫學工程系聯合培養）。2012年在日本東北大學從事博士后研究工作。2013年赴英國斯旺西大學開展合作研究。2019年在哈佛大學開展合作研究。2013年入選廣州市“珠江科技新星”，2014年獲批“廣東特支計劃”科技創新青年拔尖人才。2017年入選科技部“中國-加拿大安大略青年科學家交流計劃”。長期從事微納制造、微流控芯片、生物醫學微納檢測與傳感、快速檢測技術、微納診療技術和人工組織器官的研究。近五年主持包括國家重點研發計劃、國家自然科學基金面上項目和青年項目、廣東省自然科學基金等近十項國家、省市科研項目。目前已發表SCI論文60余篇，其中包括本領域主流期刊Nat. Communications, Proc. Nati. Acad. Sci., Angew Chem., Adv. Mater., Small, Lab Chip, Adv. Funct. Mater., Biosens. Bioelectron., Anal. Chem.等；申請30余項國家發明專利。獲2017年廣東省科學技術二等獎（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).