歯周病治療における時空間殺菌と骨形成を促進する硫化銅ナノ粒子活性化注射用ハイドロゲル

Injectable hydrogels activated with copper sulfide nanoparticles for enhancing spatiotemporal sterilization and osteogenesis in periodontal therapy.

抄録

歯周病治療において、細菌感染部位の骨再生を促進するバイオマテリアルの開発は急務である。本研究では、近赤外光（NIR）をトリガーとした光熱療法（PTT）により細菌を死滅させることができるCuSナノ粒子（CuSNP）と、注射可能で生体適合性に優れたゼラチンメタクリロイル（GelMA）ハイドロゲルを融合させたハイブリッドハイドロゲルを作製した。具体的には、まずCuSNPをキトサン(CS)で沈殿させ、次にメタクリル酸無水物(MA)をグラフトしてCuSNP@CS-MAを形成し、これをGelMAと光架橋させてハイブリッドハイドロゲル(GelMA/CuSNP)を合成した。このハイブリッドハイドロゲルは幅広い抗菌性を示し、近赤外光の照射により空間的に操作することが可能であった。また、CuSNPsの濃度を制御することで機械的特性を調節することができ、口腔疾患への適応性を高めることができた。一方、ハイブリッドハイドロゲルは良好な細胞適合性を示し、止血性が改善された。さらに、歯槽骨形成と血管新生を促進し、ラットモデルで4週間で歯周病の治療に成功した。GelMA/CuSNPハイドロゲルは、PTTの幅広い殺菌能力と優れた抗菌性を示し、このハイブリッドハイドロゲルが細菌の多い厳しい口腔内環境で機能することを示唆した。このような注入可能なハイブリッドハイドロゲルは、骨形成促進能と近赤外誘導滅菌能の両方を達成することができ、歯周炎治療のための新しいバイオマテリアルである。

Developing biomaterials capable of promoting bone regeneration in bacteria-infected sites is of utmost urgency for periodontal disease therapies. Here we produce a hybrid hydrogel by integrating CuS nanoparticles (CuSNPs), which could kill bacteria through photothermal therapy (PTT) triggered by a near infrared (NIR) light, and a gelatin methacryloyl (GelMA) hydrogel, which is injectable and biocompatible. Specifically, CuSNPs were precipitated by chitosan (CS) firstly, then grafted with methacrylic anhydride (MA) to form CuSNP@CS-MA, which was photo-crosslinked with GelMA to synthesize hybrid hydrogels (GelMA/CuSNP). The hybrid hydrogels exhibited a broad-spectrum antibacterial property that could be spatiotemprorally manipulated through applying a NIR light. Their mechanical properties were adjustable by controlling the concentration of CuSNPs, enabling the hydrogels to become more adapted to the oral diseases. Meanwhile, the hybrid hydrogels showed good cytocompatibility and improved hemostasis . Moreover, they accelerated alveolar osteogenesis and vascular genesis, successfully treating periodontis in four weeks in a rat model. GelMA/CuSNP hydrogels showed a broad-spectrum sterilization ability PTT and outstanding antibacterial property , suggesting that the hybrid hydrogels could function in the challenging, bacteria-rich, oral environment. Such injectable hybrid hydrogels, capable of achieving both facilitated osteogenesis and NIR-inducible sterilization, represent a new biomaterial for treating periodontitis.