唾液获得性膜蛋白启迪的牙体硬组织原位修复材料的研究

In clinic, traditional dental restorative materials have weak interface binding force and poor long-term stability since their structures, components and properties are different from the natural tooth, thus it may cause some serious problems such as the loss of materials and secondary caries. In order to resolve these problems, this project try to design and study a series of dental restorative materials bioinspired by the structure and function of proteins in the salivary acquired pellicle (SAP). First, we plan to analyze the mechanism of the specific adsorption of SAP proteins on the dental surface, thus we can choose and optimize the peptide sequences with specific binding force to tooth. After that, we will synthesize a series of materials by conjugating these peptide sequences to dendritic polymers, which have been named as “artificial protein” due to their biomimetic properties and well-defined/easily tailored structures. Then we will further modify these materials by introducing phosphate group, carboxyl group or zwitterionic group for different purposes such as dentin-repair, enamel-repair and repair/antimicrobial functions. We will systematically study the specific adsorption of materials on normal and etched tooth, screen the optimum materials by investigating the in situ repair capability of human tooth plates in artificial saliva, and finally evaluate the in vivo repair/antimicrobial properties through implantation test in the oral cavity of rats. With the help of orthogonal experimental design and molecular dynamics simulation, we will clarify the specific adsorption and in situ repair/antimicrobial mechanisms of these materials from the molecular level. This project can provide valuable mechanism basis for the preparation of a new generation of dental restorative materials.

为突破现有牙修复材料与天然牙体硬组织性能不匹配所导致的界面结合力弱、治疗长效性差、易脱落和引起二次龋齿的关键问题，本申请拟从仿生学角度出发，设计并研究受唾液获得性膜（SAP）中蛋白质的结构和功能所启迪的牙修复材料。分析SAP中一系列蛋白质与牙表面特异性结合的机理，选取并优化其中具有特异性结合能力的多肽序列，将其引入到具有“人工蛋白”美誉的树枝状高分子上，再针对不同应用要求进行磷酸化、羧酸化或引入两性离子等功能修饰，以达到对牙体硬组织原位修复（或修复/抗菌）的目的。系统研究材料在正常和缺损牙体硬组织上的特异性吸附能力；用人牙切片在体外模拟唾液环境中研究材料的原位修复能力，筛选优化的材料体系；最后通过大鼠口腔植入实验研究材料在动物体内对牙体硬组织的原位修复/抗菌能力。通过正交实验设计和辅以计算模拟，从分子水平阐明材料特异吸附牙体硬组织并原位修复/抗菌的机理，为制备新一代牙修复材料提供理论依据。

为突破现有牙修复材料与天然牙体硬组织性能不匹配所导致的界面结合力弱、治疗长效性差、易脱落和引起二次龋齿的关键问题，本项目从仿生学角度出发，设计并研究受唾液获得性膜中蛋白质的结构和功能所启迪的牙修复材料。分析SAP中一系列蛋白质与牙表面特异性结合的机理，选取并优化其中具有特异性结合能力的多肽序列，将其引入到具有“人工蛋白”美誉的树枝状高分子和其他功能材料上，以达到对多种硬组织原位修复（或修复/抗菌）的目的。.具体而言，唾液获得性膜是一层由唾液蛋白及糖蛋白组成的薄膜，可以非常牢固黏附在牙齿表面。其主要成分富酪蛋白是由大量脯氨酸和酪氨酸组成的磷酸肽，具有高度有序的构象结构与电荷不对称性。富酪蛋白的氮端的前六个氨基酸序列DpSpSEEK启迪我们设计了新的多肽序列DDDEEK和DDDEEKC，对羟基磷灰石表面具有很强的吸附作用。本项目发展了一系列采用上述短肽修饰的聚酰胺-胺型树枝状聚合物，金属-多酚络合物，大肠杆菌 CsgA 蛋白等，使材料具有诱导生物矿化、抗菌、抗污、促细胞黏附等性质，可广泛应用在硬组织（牙/骨）修复材料、硬组织植入材料等生物医学工程相关领域。仅举三例如下：1）DDDEEKC修饰的聚酰胺-胺型树枝状聚合物能够吸附在生物矿物（例如羟基磷灰石，磷酸三钙，碳酸钙，珍珠，牙釉质，牙本质和骨）表面并交联成膜。这种涂层可以在十分钟内形成，并且可以停留在生物矿物表面超过1个月的时间，该涂层可通过二次改性进一步获得促细胞黏附等多种功能；2）DDDEEKC修饰的单宁酸等天然材料可以实现对牙体硬组织的有效修复（表面硬度恢复>80%, 附着力64.85 N）；3）将DDDEEK序列通过基因工程的方法整合到淀粉样蛋白CsgA上（制备PET-22B-CsgA-DDDEEK质粒），可以获得一种普适性涂层材料，例如涂覆该材料的钛合金骨螺钉植入12周显示了良好的骨生长和骨整合能力。.本项目总计发表标注基金号论文15篇，包括Advanced Functional Materials和Chemistry of Materials等，授权发明专利3项。.本工作有望为制备新一代硬组织修复材料提供理论依据和产业化指导。