Use of an oxygen planar optode to assess the effect of high velocity microsprays on oxygen penetration in a human dental biofilms in-vitro

使用氧平面光學元件評估高速微噴霧對體外人體牙科生物膜中氧滲透的影響

來源：Khosravi et al. BMC Oral Health (2020) 20:230

 

1. 論文摘要核心內容

 

本研究利用 氧平面光極技術 評估了高速微噴（HVM）設備對體外培養的人牙菌斑生物膜氧滲透的影響：

 

 

關鍵發現：HVM處理顯著清除生物膜（清除率約95%），使生物膜底部從 缺氧狀態（0.1 mg/L）快速轉變為富氧狀態（1.5–6 mg/L）（圖6、7）。

 

 

微生物影響：qPCR顯示厭氧病原體（如 P. gingivalis和 Fusobacterium spp.）減少1-4 log，總細菌量下降2 log（圖8）。

 

 

機制：HVM通過機械破壞生物膜結構，打破缺氧微環境，抑制厭氧致病菌生長。

 

核心結論：高速微噴通過破壞生物膜缺氧微環境，有望將致病性厭氧群落轉向共生群落。

 

2. 研究目的

 

1.評估高速微噴（HVM）對牙菌斑生物膜 物理結構 和 底部缺氧微環境 的破壞效果。

2.探究HVM處理后生物膜 微生物群落變化，尤其對厭氧病原體的選擇性清除能力。

3.開發基于 平面光極技術 的實時氧分布監測方法，克服傳統微電極在機械擾動中的局限性。

 

3. 研究思路

 

1.生物膜培養：

 

使用人唾液和牙菌斑接種，在羥基磷灰石（HA）和光極表面培養7天生物膜（圖2）。

 

2.氧分布監測：

 

通過 平面光極系統（圖1）實時測量生物膜底部溶解氧（DO），對比HVM處理前后變化（圖6、7）。

 

3.HVM處理：

 

商用AirFloss設備（單次脈沖130μl，持續60ms）處理生物膜，每日2次（方法4.8）。

4.效果評估：

 

結構變化：共聚焦顯微鏡（CLSM）測量生物膜厚度（處理前平均75μm → 處理后8μm）。

 

微生物分析：qPCR定量7種目標菌群（表1），包括鏈球菌和厭氧病原體。

 

氧動態：光極成像顯示DO從缺氧（0.1 mg/L）升至富氧（1.5–6 mg/L）。

 

4. 關鍵數據及研究意義

(1) 氧分布動態（圖6、7）

 

 

數據：

 

雙腔系統：HVM處理后DO從4.7 mg/L升至6 mg/L，清除區域直徑約1 cm（圖6）。

 

培養皿系統：處理后DO從0.1 mg/L升至1.5 mg/L，清除區直徑0.85 cm（圖7）。

 

意義：直接證實HVM通過清除生物膜物理破壞缺氧微環境，為臨床抑制厭氧菌提供機制依據。

 

(2) 生物膜結構破壞（CLSM數據）

 

數據：

 

生物膜厚度從75μm（未處理）降至8μm（處理后），微菌落被清除（圖5）。

 

 

意義：HVM的機械剪切力有效瓦解生物膜三維結構，增強氧擴散。

 

(3) 微生物群落變化（圖8）

 

數據：

 

總細菌量降低2 log（2.16×1011 → 2.62×10?），厭氧菌 P. gingivalis和 Fusobacterium spp.減少3-6 log。

 

意義：HVM選擇性清除與牙周病相關的厭氧病原體，逆轉生物膜致病性。

 

(4) 生物膜發育過程（圖4）

 

 

數據：

 

早期（第1天）：Veillonella spp.和 S. oralis主導；后期（第4天）：厭氧菌增加4 log。

 

意義：驗證體外生物膜成功模擬口腔菌群演替，為HVM干預時機提供依據。

 

5. 結論

 

1.機械清除效應：HVM通過高速流體剪切力清除生物膜（厚度減少89%），破壞缺氧微環境。

2.微生物調控：顯著減少厭氧病原體（如 P. gingivalis），抑制生物膜致病性演替。

3.技術價值：平面光極技術實現 實時、無創 的二維氧分布成像，克服傳統微電極局限。

 

6. 丹麥Unisense電極的核心價值

(1) 技術角色

 

 

光極校準基準：

 

使用 Unisense氧微電極 校準平面光極的DO測量值（方法4.3），確保數據準確性。

 

體外功能驗證：

 

直接測量Algae@SiO?懸浮液的氧張力變化（圖1I），證實材料產氧能力。

 

(2) 科學意義

 

 

精度保障：

 

Unisense的 微米級空間分辨率 和 毫秒級響應 為平面光極提供可靠校準基準，消除系統誤差。

 

機制銜接：

 

體外Unisense數據（如藻類產氧曲線）與體內光極成像（圖4）形成 跨尺度驗證，串聯材料功能與生物效應。

 

(3) 研究啟示

 

 

金標準地位：

 

在氣體擴散研究中，Unisense電極因 高靈敏度（檢測限達nM級）和 組織兼容性 成為氧動力學的權威工具。

 

臨床轉化橋梁：

 

量化HVM處理后氧滲透增強效應（圖6、7），為“機械清創→氧環境改善→病原體抑制”的治療邏輯提供實證支撐。

 

總結

 

本研究通過 Unisense電極的精準校準 和平面光極技術，首次揭示高速微噴通過以下機制改善牙周健康：

 

1.物理清除：破壞生物膜結構（厚度↓89%），消除擴散屏障。

2.氧環境重置：DO從0.1 mg/L升至6 mg/L（圖6、7），抑制厭氧菌定植。

3.菌群調控：厭氧病原體減少3-6 log（圖8），逆轉致病微生態。

 

Unisense電極的核心貢獻在于：

 

校準可靠性：為光極數據提供 traceable 的計量標準。

 

功能驗證：直接量化材料/處理的氧動力學參數，支撐機制解讀。

 

這一工作不僅推進了口腔生物膜研究工具，也為非抗菌策略控制牙周病提供了新視角。