牙周炎是我國成年人失牙的第一大因素，患病率在40%以上。就全球范圍而言，重度牙周炎已成為全球第六大流行性疾病，影響了超過10%的成年人。牙周炎不但影響口腔健康，還與全身健康有關，例如患有重度牙周炎的育齡婦女容易發生早產。牙周炎主要由口腔致病菌（如牙齦卟啉單胞菌）引起，這些細菌在代謝過程中會產生揮發性硫化物（VSCs，主要成分為硫化氫、甲硫醇等），使牙周炎患者有明顯的口臭癥狀，通常VSCs濃度與牙周炎嚴重程度正相關；口臭也因影響社交而成為人們日常關注和口腔科患者的主訴癥狀之一。通過監測呼出氣體中VSCs的濃度可以診斷口臭嚴重程度，并實現對牙周炎相關致病菌的檢測和牙周炎的篩查。目前臨床上檢測呼出氣體中的VSCs主要依賴于例如Halimeter的檢測設備，價格昂貴、操作復雜，無法作為日常檢測VSCs的技術手段。因此，發展一種低成本、高靈敏的VSCs即時檢測（point-of-care testing, POCT）技術能夠極大地便利患者進行個人口腔健康狀況監測和管理，對于牙周炎的臨床診斷也起到重要的輔助作用。
四川大學李建樹教授、秦萌副研究員團隊設計了一種結構色水凝膠生物傳感器用于口氣中VSCs的高靈敏可視化檢測。首先合成了親水性的含二硫鍵交聯劑N, N’-雙丙烯酰-L-胱氨酸（BISS），加入水凝膠預聚液中，引入光子晶體結構，共聚制備了能夠響應VSCs的結構色水凝膠。VSCs具有還原性，可以切斷水凝膠網絡中的二硫鍵，使水凝膠的交聯密度降低，水凝膠吸水溶脹同時帶動光子晶體的晶格間距增加，導致結構色水凝膠的光子禁帶紅移，從而實現對VSCs的可視化傳感。該結構色水凝膠可以實現0-1 ppm的VSCs的線性檢測，涵蓋了牙周炎患者呼出氣體中VSCs的濃度范圍，檢測限可達61ppb。該結構色水凝膠還可以對牙周炎病原體，如牙齦卟啉單胞菌的增殖過程進行實時和原位的可視化監測，其結果與常用的比濁法一致。將結構色水凝膠用于檢測口臭患者呼出VSCs的濃度，其檢測結果與臨床診斷一致。在此基礎上將不同顏色的結構色水凝膠集成為傳感陣列，可以對患者口臭程度進行分級，對其患牙周炎的風險進行評估。該傳感器可以與手機聯用，通過分析樣品照片的顏色自動給出檢測結果，與基于Halimeter口氣測量儀的結果相比，準確率可達95%，促進了其在POCT方面的應用。
圖1. 結構色水凝膠響應VSCs的原理示意圖。
圖2. 水凝膠被還原后形貌、化學組成以及機械性能的變化。
圖3. 結構色水凝膠隨氧化還原反應的光子禁帶位移變化。
圖4. 結構色水凝膠對VSCs最主要組分硫化氫氣體的檢測。
圖5. 結構色水凝膠用于牙齦卟啉單胞菌增殖過程的原位實時監測。
圖6. 將結構色水凝膠應用于口臭患者的臨床呼氣樣本，實現對口臭患者患有牙周炎的風險評估。
論文以 “A Structural Color Hydrogel for Diagnosis of Halitosis and Screening of Periodontitis”為題發表在Materials Horizons上（DOI: 10.1039/D3MH01563G）。論文的第一作者為四川大學高分子科學與工程學院碩士研究生胡傳舜。通訊作者為李建樹教授和秦萌副研究員。該工作得到了國家自然科學基金等的支持。
原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/mh/d3mh01563g
