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天然羟基磷灰石（HAP）是牙齿的重要组成部分，具有良好的生物活性、机械刚度和优良的骨传导性。因此，已开发出使用不同生物分子作为仿生支架的人工HAP材料。然而，由于生物模板中不存在长程有序结构（整个材料内部原子具有规律性的排列），人工HAP的机械性能明显低于天然骨或牙本质。例如，使用细菌纤维素矿化的HAP的杨氏模量约为10.9 GPa，明显低于人牙本质的杨氏模量（~22.5 GPa）。人工HAP生物材料的低机械刚度和韧性限制了它们的生物医学应用。因此，开发具有长程有序性的新型生物模板以在宏观尺度上诱导 HAP矿物的高密度堆叠非常重要。
鉴于此，北京大学口腔医院卫彦教授团队开发了一种简单的策略来制造超硬DNA-HAP块状复合材料。DNA和具有季铵盐基团的表面活性剂的静电络合使得能够使用静电纺丝形成远程有序支架。因此，该DNA模板在宏观尺度上实现了一维和二维HAP矿物的生长。值得注意的是，所制备的DNA-HAP复合材料表现出约25 GPa的超高杨氏模量，与天然HAP相当，优于大多数人工矿化复合材料。此外，DNA-HAP材料在致密的HAP中包裹的季铵基团赋予了复合材料持久的局部抗菌活性，因此此材料可开发应用于抗菌性能的新型牙嵌体。因此，这种新型的超硬生物材料在口腔修复应用中具有巨大的应用潜力。
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具体而言，将含有柔性烷基链（DDAB）的阳离子表面活性剂与双链DNA（2000 bp）复合，形成长程有序支架。正如团队之前报道的，静电相互作用将刚性DNA和含有柔性烷基链的 DDAB耦合成混合组件，这些组件不溶于水，并排列成交替的刚性和柔性的层状相。因此，所得DNA-DDAB复合物的产物表现出长程有序的近晶结构。接下来，静电纺丝技术用于制造长程有序DNA-DDAB模板，包括DNA纤维和薄膜。随后，通过将DNA-DDAB模板浸入氯化钙和磷酸氢二钠的水溶液中，形成DNA-HAP复合材料。如图所示，作者成功制备了具有独立结构的不透明白色DNA-HAP纤维和薄膜。DNA-HAP纤维的矿物质含量为12.4 wt%，而DNA-HAP薄膜的矿物质含量更高，为 26.4 wt%。图中的扫描电子显微镜图像显示DNA-HAP复合材料具有致密且连续的结构。DNA-HAP复合材料的透射电子显微镜图像显示出高度有序和密集堆积的HAP矿物。
图1 | DNA-羟基磷灰石（HAP）复合材料的制备和表征。
以DNA为模板的HAP矿化过程可分为三个步骤。首先，由于强离子络合效应，钙离子被DNA-DDAB模板的磷酸盐捕获。随后，通过浸入Na2HPO4水溶液中诱导CaP的快速成核。最后，通过重复浸渍过程实现矿物生长。与聚合物薄膜和纳米原纤纤维素等其他矿化模板形成鲜明对比的是，在作者的策略中，近晶相的层状结构与静电纺丝支架相结合，可以提供磷酸盐的长程有序和高密度堆叠。层状结构与DNA-DDAB组分之间的协同作用赋予模板更多的成核位点进行矿化，这有助于沿纳米纤维骨架密集堆叠的HAP生长并增加复合材料的刚度。此外，与纯DNA相比，由于疏水性，DNA-DDAB模板在矿化过程中具有结构稳定性。利用该系统的上述优点，作者建立了一种高效的HAP矿化途径。随后，利用DNA纤维引导HAP矿化。制备了三种类型的DNA纤维模板，包括 (1)拉伸前的DNA纤维、(2)拉伸200% 的DNA纤维和 (3)与甘油混合的DNA纤维。如图所示的图像表明，拉伸后的DNA纤维具有定向结构。此外，甘油的引入导致所得纤维的形态发生显着变化，导致DNA-DDAB排列不规则。接下来，将DNA-DDAB模板矿化为HAP。在这个过程中，正如SEM和EDS绘图研究所证实的那样，可以实现由DNA纤维引导的HAP矿化。DNA序列在骨架中具有丰富的磷酸盐基团进行矿化，DNA-DDAB复合物的层状结构是高度有序和密集堆叠的HAP生长的合适模板，从而赋予复合材料优异的力学性能。从块状复合材料上切下的薄样品的TEM图像直接揭示了定向良好的层状结构和矿物的高密度堆叠。DNA-HAP纤维和DNA-HAP薄膜均由纳米纤维组成，纳米纤维的大表面积使HAP在材料内均匀矿化。
图2 | DNA 纤维和矿化 DNA-HAP 纤维的形态和机械特性。
接下来，使用ensile testing研究机械性能。未经处理的DNA纤维的平均拉伸强度约为14.3 MPa。相比之下，拉伸的DNA纤维表现出更强的机械性能，平均拉伸强度为 25.4 MPa，几乎是未经处理的 DNA 纤维的两倍。这是因为良好有序的取向决定了纤维的最终机械性能。三种DNA纤维的粗糙度约为6 MJ/m3。矿化后，表征了DNA-HAP纤维的拉伸强度和韧性。DNA-HAP纤维的最高拉伸强度约为25.0 MPa。在复合纤维中，拉伸性和韧性约为6-10%和 0.7-0.8 MJ/m3，分别表明DNA-DDAB模板的存在赋予了HAP复合材料韧性。
为了检查DNA引导的HAP矿化的多功能性，作者对二维DNA薄膜进行了矿化实验。形态的明显变化表明DNA薄膜上的HAP矿化成功。在成矿初期，观察到大量有裂缝的矿物。在 CaCl2和Na2HPO4水溶液中反复浸渍3次以上后，矿物变得致密并形成连续结构，最终在10次循环后形成褶皱状矿物。此外，HAP晶体的特征峰强度逐渐增加，表明从无定形CaP向 HAP晶体的转变。如图所示，很明显，经过10次浸渍循环后，DNA-HAP薄膜仍然具有柔韧性和可弯曲性。独特的可弯曲性能可能归因于HAP层状结构和复合材料中目前的韧性，该复合材料是使用近晶有序DNA-DDAB作为模板制造的。因此，在复合材料中形成了具有高层有序性的薄HAP板，这使得HAP复合材料具有可弯曲性并且可加工。
图3 | DNA 和矿化 DNA-HAP 薄膜的形态和机械特性。
随后，通过拉伸试验研究薄膜的机械性能。抗拉强度和DNA薄膜的韧性分别约为6 MPa和 4 MJ/m3。随着多次矿化循环，DNA-HAP薄膜的拉伸强度增加到大约8 MPa（3个循环），9 MPa（5个循环）和 10 MPa（10个循环）。重要的是，拉伸性和韧性分别保持在10% 和 0.7 MJ/m3左右。此外，微机械性能由AFM表征。发现多次矿化后DNA-HAP薄膜的刚度显着提高。值得注意的是，DNA-HAP薄膜的杨氏模量增加到24.6 ± 2.1 GPa，甚至超过了DNA-HAP纤维的杨氏模量。这可能是由于薄膜的大孔隙率会增加复合材料中的矿物质含量。此外，所制备的DNA-HAP薄膜的杨氏模量比许多众所周知的合成HAP材料（包括纤维素纳米纤维、胶原蛋白-HAP和多肽-HAP）的性能要强得多。在~25 GPa下获得的杨氏模量甚至可以与人类牙本质相媲美。这一发现表明，由长程有序DNA-DDAB模板诱导的HAP矿物质的高堆积对于提高复合材料的刚度非常有用。
之后，作者介绍了用于制造新型牙嵌体的刚性DNA-HAP薄膜。牙嵌体由多层DNA-HAP薄膜组成，采用计算机辅助设计/计算机辅助制造 (CAD/CAM) 技术制造。CAD/CAM已广泛用于在临床环境中准备修复体，因为它可以提供快速准确的牙齿修复并减少治疗时间。此外，嵌体的原材料制备方法类似于基于牙齿缺陷3D模型的增材制造，可有效减少材料浪费。具体来说，作者首先基于CAD牙齿缺损的3D模型对牙嵌体进行了3D成像。随后，通过堆叠 DNA-HAP薄膜制备了长度为12毫米、高度为8毫米、宽度为10毫米的原始牙嵌体样品。最后，使用CAM获得牙嵌体，呈现出具有光滑和美观表面结构的嵌体。此外，外观接近天然牙，抛光后的牙嵌体与牙齿缺陷的完美贴合。制备的牙嵌体的杨氏模量为25 ± 5 GPa，与人类牙本质的杨氏模量（20 ± 5 GPa）相当。利用DNA-HAP材料的可定制和高杨氏模量、CAD/CAM技术的速度和精度，作者开发了一种用于牙嵌体制造的工程策略。
图4 | DNA-HAP薄膜的牙齿修复应用和抗菌活性。
随后，作者评估了DNA-HAP牙嵌体的抗菌性能。首先，选择引起龋齿的主要病原体变形链球菌（S. mutans）来研究嵌体表面的细菌粘附。为了比较DNA-HAP薄膜与典型天然和合成材料的抗菌性能，选择天然搪瓷和ZrO2陶瓷作为对照组。在孵育6小时后，变形链球菌繁殖并粘附在天然牙釉质和ZrO2陶瓷的表面。在相同的实验条件下，变形链球菌几乎不会在 DNA-HAP薄膜的表面上生长。结果证明了DNA-HAP薄膜的高抗菌性能。为了进一步探索针对口腔疾病的代表性病原体的抗菌特性，作者在三个表面上培养了变形链球菌、乳杆菌、粪肠球菌、戈登链球菌和放线杆菌。与天然牙釉质和ZrO2陶瓷相比，DNA-HAP薄膜对革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌表现出广谱和有效的抗菌活性。优异的抗菌活性可归因于DDAB 的季铵盐基团，它与DNA-HAP复合物中的DNA复合。带正电荷的季铵盐基团可以破坏细菌的膜结构，从而杀死它们。与抗菌涂层相比，作者的策略阻止了活性成分的快速脱落，并保持了嵌体的持久局部抗菌活性。
总之，该策略实现了以DNA模板为指导的HAP制备，为下一代牙嵌体提供了一种很有前景的材料，对牙齿修复具有重要意义。此外，基于DNA-HAP复合材料非凡的机械性能和可定制性，这项工作中制造的人工HAP材料可能会扩展到例如骨再生和修复等其他生物医学应用。

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来源：高分子科学前沿

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