综述：超越传统牙科：类器官与下一代水凝胶如何重塑牙组织再生

　　本综述系统探讨了类器官（Organoids）与先进水凝胶在牙组织再生领域的最新突破，重点分析了多功能水凝胶的仿生特性（如骨诱导性、免疫调节性）及其与类器官技术的协同应用，为从替代治疗向真正生物再生转型提供了革命性策略。

　　

Abstract

牙组织再生随着生物工程水凝胶和类器官技术的发展而快速进步。本综述探讨了具有骨诱导、粘附、血管生成、抗菌和免疫调节特性的多功能水凝胶，这些材料被定制用于釉质、牙髓牙本质复合体、牙周韧带和牙槽骨修复。生物活性分子（包括生长因子、生物陶瓷、抗氧化剂和免疫调节剂）的引入被证明可增强组织特异性再生，同时减轻感染和炎症。刺激响应设计使得时空控制的递送和降解成为可能。免疫调节水凝胶还被证明可引导巨噬细胞极化、调节T细胞浸润并促进基质重塑。此外，水凝胶支持的类器官模型被用于复制牙组织结构、引导谱系特异性分化，并为药物筛选和发育研究提供可重复的生理相关平台。新兴策略如微流控类器官芯片系统和机械刺激培养因其提供更生理相关模型的潜力而受到关注。讨论了涉及水凝胶支架和干细胞构建体的早期临床研究，表明其转化潜力日益增强。总体而言，这些进展凸显了先进水凝胶和类器官系统如何促进从传统修复方法向基于组织工程的再生疗法转变。

Introduction

口腔是维持整体生理健康的关键门户。牙齿作为复杂的生物结构，在咀嚼、言语和维持颅面完整性中扮演重要角色。每颗牙齿由特化的硬组织（如釉质、牙本质和牙骨质）和软组织（如牙髓和牙周韧带）组成，各自对口腔和全身健康具有特定功能。

在胚胎发育期间，釉质器官始于第6至8周，由外胚层细胞和间充质干细胞（MSCs）活动形成。随着釉质器官在第12至14周扩展，它进入帽状和钟状阶段。这些结构的外层形成上皮层，维持器官形状，而内凹部分产生柱状细胞，这些细胞决定牙冠形状并分化为成釉细胞（分泌釉质组织）。在内釉上皮下方，MSCs的积累启动牙乳头形成，随后分化为成牙本质细胞（分泌牙本质基质）。同样，围绕釉质器官的牙囊最终产生牙周韧带组织。分化的成牙本质细胞分泌牙本质基质并矿化，而成釉细胞在牙本质上方分泌釉质基质，形成牙冠。在牙冠形成的同时，根发育通过牙本质和牙骨质的沉积进行。成牙骨质细胞产生牙骨质，牙囊内的成纤维细胞产生牙周韧带，将牙齿锚定到牙槽骨。这一高度协调的发育过程导致胎儿下颌内牙齿结构的完全形成。出生后，这些预形成的牙齿结构通过牙龈组织萌出，形成乳牙。最终，乳牙经历脱落阶段并被恒牙替代，健康成人共有32颗牙齿。

恒牙形成过程与胚胎发育相似；然而，由于生物限制，人类恒牙一旦缺失便无法再生。牙根结构的复杂性、干细胞活性降低以及下颌解剖空间有限阻碍了成人的完全牙再生。因此，由感染、创伤、激素变化、癌症或先天缺陷导致的牙齿缺失可能严重损害口腔健康。除了有限的再生能力外，口腔复杂的微生物环境是成功牙恢复的主要挑战之一。此外，众所周知，牙齿健康恶化可能对整体人类健康产生直接和间接影响，尤其在患有心脏病、糖尿病、溃疡或肾损伤的个体中。

根据世界卫生组织统计，全球超过35亿人受到牙科疾病影响，每年口腔治疗支出超过3800亿美元。这一巨大全球负担推动研究人员开发功能性替代疗法用于牙再生。目前，多种利用先进生物材料的修复疗法应用于临床实践，包括不同树脂的填充和密封材料、矿物三氧化物聚合体（MTA）、釉质基质衍生物（EMD）和纳米复合材料；钛或锆合金的牙种植体；陶瓷基冠和桥；不锈钢或镍钛 brackets；以及源自生物活性玻璃和其他复合物的移植材料。MTA是一种广泛用于牙髓病学的材料，具有合适的密封性能和生物相容性，但由于处理性能和凝固时间，它在支持牙本质矿化方面具有挑战性。EMD是一种蛋白质基材料，商业上称为Emdogain?，主要在牙周再生中使用超过30年，效果显著。它促进无细胞牙骨质、牙周韧带和牙槽骨的形成，证明其在增强软组织再生和血管生成活性方面的功效。然而，EMD的猪源性保留了免疫反应风险和伦理问题。尽管许多这些材料在管理病理状况方面有效，但大多数无法实现真正生物再生受损组织。相反，它们主要作为人工支持元素，通过填充、粘合或提供机械支持来替换或增强丢失结构，如线材、 brackets、冠或桥。在临床中，某些生物活性材料如MTA、EMD和生物活性玻璃复合材料用于在一定程度上促进组织再生，特别是在牙髓和牙周程序中，主要目标是恢复牙和支持组织的结构和功能。因此，对生物驱动的治疗策略需求日益增长，这些策略超越结构替换，主动参与身体的自然再生过程。在此背景下，牙组织工程（DTE）已成为一种有前景的策略，旨在通过提供基于再生的解决方案来推进传统牙科治疗。组织工程三元组—包括细胞、生物材料和生物活性分子—是设计生物活性平台用于组织再生的基础。然而，由于牙结构如釉质、牙本质、牙髓和牙周组织的复杂性和相互依赖性，开发功能性再生系统仍然高度挑战。

尽管如此，生物材料和干细胞生物技术的最新进展为DTE应用开辟了新途径。从脱落乳牙（SHED）、根尖乳头组织（SCAP）、牙周韧带干细胞（PDLSCs）、牙髓干细胞（DPSCs）、牙囊干细胞（DFSCs）分离的干细胞，以及源自骨髓、牙龈组织或脂肪组织的间充质干细胞（MSCs），都已用于各种牙科应用。这些细胞成分通常与工程生物材料和信号分子在DTE策略中结合，以支持和指导损伤部位的组织再生。

生物材料的进展，特别是水凝胶和最近的方法学发展如类器官模型，为DTE应用中的组织再生开辟了新可能性。水凝胶由于其三维（3D）结构和亲水性粘弹性 properties，可有效模拟天然口腔细胞外基质（ECM），使其成为支持靶点细胞生长和分化的理想支架。同时，源自牙相关干细胞的类器官模型使得形成3D结构，复制天然牙组织的架构和功能。通过整合下一代水凝胶和类器官技术，研究人员正在开发创新策略以增强牙组织再生，可能导致更有效和持久的治疗。

本综述探讨了DTE的最新进展、当前挑战和前景，重点关注两种尖端方法：水凝胶和类器官技术，同时强调可推动生物技术创新 toward improved clinical outcomes的关键因素。

Advanced hydrogels in dental regeneration

水凝胶是交联聚合物材料，形成3D亲水网络，同时在水环境中保持其结构完整性。由于其 exceptional properties 如可调粘弹性、生物相容性、高水膨胀能力和可修改理化特性，水凝胶已成为DTE中的多功能工具。它们与天然细胞外基质（ECM）的相似性以及为细胞提供支持微环境的能力使其成为牙再生的理想候选。水凝胶可通过物理或化学交联方法合成，并源自天然聚合物（如藻酸盐、壳聚糖、透明质酸、胶原蛋白、明胶、纤维蛋白）或合成聚合物（如聚乙二醇[PEG]、聚丙烯酸[PAA]、聚乙烯醇[PVA]）。这些材料可功能化 with 生物活性分子以增强其再生潜力。

在牙科中，水凝胶被设计为具有特定 properties 用于不同牙组织。对于釉质再生，水凝胶可作为基质用于矿化，模拟釉质形成过程。对于牙髓牙本质复合体，水凝胶可作为支架用于牙本质生成和牙髓再生，提供支持微环境用于细胞迁移、分化和血管生成。对于牙周韧带再生，水凝胶可引导纤维组织形成和牙槽骨整合。对于牙槽骨再生，水凝胶可支持骨生成和血管生成。

水凝胶的生物活性通过掺入生长因子（如BMPs、TGF-β、FGFs、VEGF）、生物陶瓷（如羟基磷灰石、β-磷酸三钙）、抗氧化剂（如槲皮素、白藜芦醇）和免疫调节剂（如IL-4、IL-10）来增强。这些分子可时空控制方式递送，使用刺激响应水凝胶响应 pH、温度、酶或光等 triggers。例如，pH响应水凝胶可用于靶向递送抗菌剂到感染部位，而温度响应水凝胶可用于原位凝胶化用于微创应用。

水凝胶的免疫调节 properties 也已被探索用于牙再生。通过调节巨噬细胞极化和T细胞浸润，水凝胶可减轻炎症并促进组织 remodeling。例如，掺入IL-4的水凝胶可引导巨噬细胞向M2表型极化，与组织再生相关。类似地，掺入TGF-β的水凝胶可调节T细胞反应并促进免疫耐受。

Hydrogels in organoid models for dental tissue engineering

类器官是从干细胞衍生的有组织3D细胞结构，可概括天然组织部分的细胞组成、形态和生理功能。这种方法的使用使得开发现实和功能平台用于药物筛选、疾病建模和再生医学策略，包括个性化治疗方法。类似于组织工程三元组，各种类器官模型可通过将干细胞与生物材料和信号分子结合来生成。

在牙科中，类器官已用于模拟牙发育和再生。从牙相关干细胞如DPSCs、PDLSCs或SCAP衍生的类器官可用于生成3D结构复制牙釉质、牙本质、牙髓或牙周组织。这些类器官可用于研究牙形成机制、测试新治疗剂或开发个性化再生策略。

水凝胶在支持类器官培养中扮演关键角色，提供模拟天然ECM的3D微环境。水凝胶可用于封装干细胞并引导其分化为特定牙谱系。例如，掺入BMPs的水凝胶可引导干细胞向成牙本质细胞分化，而掺入FGFs的水凝胶可促进成釉细胞分化。类似地，掺入VEGF的水凝胶可增强血管生成，而掺入神经生长因子（NGF）的水凝胶可促进神经支配。

水凝胶还用于支持类器官芯片系统和机械刺激培养的开发。微流控类器官芯片系统可用于创建更生理相关模型用于药物筛选和毒性测试，而机械刺激培养可用于模拟口腔中的机械 forces 如咀嚼或正畸力量。

Current clinical applications and limitations

水凝胶和类器官基模型在DTE中的当前临床应用 demonstrate promising, yet variable, levels of advancement。水凝胶在各种配方中，包括那些掺入PLGA nanoparticles的，已临床用作原位凝胶用于牙髓感染的抗菌治疗，证明其作为智能药物递送系统的潜力。类似地，透明质酸基水凝胶已用于牙周再生，展示其在增强软组织愈合和血管生成方面的功效。

尽管有这些有前景的应用，但 several limitations 需要解决。水凝胶的机械性能、降解速率和生物活性可能 vary depending on the formulation and application method。类器官模型的 reproducibility and scalability 可能具有挑战性，而 ethical concerns 可能 arise with the use of animal-derived materials or stem cells。此外， regulatory hurdles 和 high costs 可能阻碍这些技术的临床转化。

Conclusion

总之，水凝胶和类器官模型已被认可为牙组织工程中的变革性平台，因为它们提供仿生微环境支持细胞活力、增殖和有组织分化，这些是重建天然组织架构和功能的关键元素。水凝胶配方和类器官培养系统的持续改进预计将支持患者特异性牙胚的再生、功能性牙单位的发展和个性化牙科治疗的进步。然而，解决当前挑战如标准化、可扩展性和 regulatory approval 对于实现其全部临床潜力至关重要。