大家好!今天来了解一种神奇的新型生物塑料MSB研究——《Viscoelastic and antimicrobial dental care bioplastic with recyclable life cycle》发表于《Nature Communications》。它以丝素蛋白为原料，通过独特的模板介导缠结工艺制备而成。这种塑料不仅具备出色的柔韧性、韧性和粘弹性，能在牙齿矫正中精准施力，还具有强大的抗菌能力，有效抵御口腔微生物。更厉害的是，它还拥有可回收的生命周期，为绿色医疗保健带来了新曙光。让我们一同走进 MSB 的精彩世界！
*本文只做阅读笔记分享*
一、研究背景
（一）医疗塑料废弃物问题
在现代医疗中，尤其是牙科领域，塑料器具的广泛使用带来了严峻的环境挑战。例如，在正畸治疗中，基于塑料器具的牙科服务产生了大量的塑料废物。像在某一机构中，仅一年就收集到了11483个与矫正器相关的塑料废物，重达117.8kg。这不仅加重了环境负担，也促使人们寻找可持续的替代材料。
（二）牙科护理塑料的特殊要求
1、力学性能要求
口腔的生理活动使得牙科护理塑料需要承受重复且较大的负荷。在进行如咀嚼等基本口腔活动时，牙齿会对矫正器施加各种力。同时，为了精确调整牙齿位置（通常在亚毫米尺度，如0.6mm以下），矫正器必须具备良好的粘弹性，以确保能够有效地传递正畸力。
2、抗菌性能要求
口腔环境中微生物众多，长期使用的牙科护理塑料容易受到微生物污染。微生物在塑料表面定植，可能会改变口腔微生物群落的平衡，进而影响口腔健康，甚至可能引发全身性疾病。因此，牙科护理生物塑料需要具备抗菌性能，以防止微生物的生长和定植。
（三）现有生物塑料的局限性
尽管生物塑料在可持续发展方面具有潜力，但目前用于牙科护理的生物塑料仍存在诸多不足。许多流行的生物基生物塑料和可降解石化塑料的柔韧性和粘弹性不够理想，无法满足牙科护理的力学要求。在抗菌性能方面，虽然有通过添加抗菌填料来制备抗菌生物塑料的方法，但这些填料可能与生物塑料相容性差，形成异质相，从而降低机械性能。例如，一些无机抗菌剂在与生物塑料结合时，由于亲和力不佳，导致材料整体性能下降。
（四）丝素蛋白在牙科护理生物塑料中的潜力
丝素蛋白具有天然的优异机械性能，使其成为制备牙科护理生物塑料的理想生物质资源之一。此前的研究还开发了一种分子模板技术，能够加速丝素蛋白链的缠结，这为制备高性能的牙科护理生物塑料提供了技术基础。
二、研究内容
（一）MSB的制备与结构特性
1、制备过程
MSB是通过模板介导的生物质衍生生物聚合物丝素蛋白的缠结制备而成。首先将蚕茧来源的丝素蛋白在酸中变性，然后去除酸进行天然复性。在这个过程中，引入一种特殊的分子模板，该模板由两个缠结诱导醚基团和一个季铵抗菌基团组成。分子模板与丝素蛋白相互作用，触发缠结过程，最终形成MSB。
2、结构特性分析
生物基碳含量：通过¹⁴C放射性碳测量发现，原生丝素蛋白的生物基碳含量高达97%，而MSB的生物基碳含量也达到了87%，这表明MSB是一种高质量的生物塑料。
缠结结构验证：利用小角X射线散射实验和差示扫描量热法对MSB的缠结结构进行分析。结果显示，与天然复性后的丝素蛋白相比，MSB的β-折叠晶体更多，β-折叠堆叠更强，Tg显著升高，这些都证明了MSB具有紧凑缠结的结构。
力学性能测试：对MSB进行拉伸、循环弯曲和循环扭转测试。MSB的极限应力为17.6MPa，弹性模量为645.1MPa，韧性高达1.57GJ/m³，表现出优异的力学性能，能够适应口腔活动中的重复变形。
（二）MSB在牙齿矫正中的性能表现
1、粘弹性行为与正畸力传递
MSB的紧凑缠结结构赋予其良好的粘弹性。在正畸治疗中，当矫正器被拉伸（激活）后，MSB能够在恢复原始形状的过程中产生正畸力。与PETG相比，MSB不仅具有弹性恢复能力，还具备粘弹性恢复能力，这使得它能够更有效地施加正畸力，并且以更平稳、适中的力传递方式避免患者牙周韧带过度受力而产生疼痛。
2、体内正畸实验结果
通过对雄性新西兰白兔下门牙进行正畸实验，使用MSB矫正器分三个阶段逐步调整兔子门牙位置，总位移达2.5mm。实验过程中，利用多轴3D扫描形态计量分析评估牙齿移动情况。结果表明，MSB矫正器能够有效地移动牙齿，防止牙齿异常移动，如避免因未矫正而产生的急性错牙合（向内旋转）现象，确保了正畸治疗的效果。同时，生物相容性测试也证实MSB具有良好的生物相容性，不会引起细胞毒性和过敏反应。
（三）MSB的抗菌性能研究
1、对典型病原体的抗菌作用
在体外实验中，以变异链球菌（典型口腔病原体）和金黄色葡萄球菌（交叉感染桥接物种）为研究对象，测试MSB的抗菌性能。结果显示，MSB显著减少了变异链球菌的附着，并且几乎完全阻止了金黄色葡萄球菌的附着。在细菌增殖实验中，与PETG相比，MSB明显抑制了细菌的生长，特别是对金黄色葡萄球菌的抑制作用更为显著。通过扫描电子显微镜观察发现，MSB表面的生物膜生长极少，且细菌呈现不对称撕裂的球菌形态，进一步证明了其出色的杀菌性能。
2、对唾液微生物群落的影响
利用16SrRNA扩增子测序技术，研究MSB对人唾液生物膜微生物群落的影响。结果表明，MSB表面的微生物群落物种多样性和总丰富度均降低，与PETG表面的微生物群落存在显著差异。MSB对口腔常见致病菌如发酵乳杆菌、非典型韦永球菌和粪肠球菌等具有显著的抵抗能力，能够在正畸治疗期间保持矫正器表面相对清洁。
（四）MSB的可回收性探索
1、回收原理与过程
MSB的可回收性基于其缠结结构的解缠结特性。通过使用甲酸破坏模板与丝素蛋白之间的氢键，使缠结结构解缠，得到含有游离模板和变性丝素蛋白链的液体MSB（粉色溶液）。然后加入乙醇，选择性沉淀丝素蛋白，经过多次重复操作（如五次），可分别在液相和固相中提取模板和丝素蛋白。通过将模板中的抗菌基团部分替换为粉色染料（R₃B），可直观观察提取过程。
2、回收效果评估
对提取后的丝素蛋白（ESF）进行分析，发现其不含模板相关信号，纯度高。模板提取效率随着提取循环次数的增加而提高，经过三次提取循环后，模板残留极少。回收后的MSB（MSB-R1和MSB-R2）能够重建紧凑缠结结构，其β-折叠相关的傅里叶变换红外酰胺I光谱与原始MSB相似。力学性能测试表明，MSB-R1的极限应力与原始MSB相当，MSB-R2虽然极限应力有所下降，但仍具有较高的力学性能，证明了MSB在回收后仍能保持良好的性能。
三、研究结论
本研究成功开发了一种医用级可持续生物塑料MSB，其具有紧凑缠结结构，展现出优异的柔韧性、韧性、粘弹性和抗菌性能。通过体内外实验验证，MSB在牙齿矫正治疗中表现出色，且具有可回收的生命周期，为解决牙科塑料废弃物问题提供了潜在的解决方案，有望推动绿色医疗保健的发展。然而，MSB的回收依赖于甲酸等试剂，这在一定程度上限制了其可持续性。同时，公众对体内来源生物塑料再利用的接受度也是需要进一步解决的问题。未来还需深入研究MSB对环境和公众健康的长期影响，以实现其在医疗领域的广泛应用。
四、一起来做做题吧
1、传统牙套在正畸治疗中存在哪些缺点？（ ）
A. 饮食控制、外观不明显、口腔卫生管理容易
B. 饮食无需控制、舒适度高、外观明显
C. 饮食控制、不适、外观明显
D. 饮食无需控制、舒适度低、外观不明显
2、为什么要寻找替代典型牙科护理塑料的材料？（ ）
A. 因为典型牙科护理塑料成本太高
B. 因为典型牙科护理塑料在口腔中容易分解
C. 因为基于塑料器具的牙科实践产生大量塑料废物
D. 因为典型牙科护理塑料不美观
3、MSB 的生物基碳含量是多少？（ ）
A. 97%
B. 87%
C. 70%
D. 60%
4、以下哪种实验方法用于验证 MSB 的缠结结构？（ ）
A. 拉伸实验
B. 循环弯曲实验
C. 小角 X 射线散射实验
D. 细菌增殖实验
5、在正畸治疗中，MSB 相比 PETG 的优势在于（ ）
A. 能更快地施加正畸力
B. 具有更强的弹性恢复能力
C. 能更有效地消散应力，确保牙齿可靠移动
D. 厚度更薄
6、体内实验中，MSB 矫正器对兔子门牙的正畸效果如何？（ ）
A. 没有明显效果
B. 使牙齿移动了 1.5mm
C. 有效防止了牙齿异常移动，确保了正畸治疗效果
D. 导致牙齿出现更多问题
7、MSB 对以下哪种细菌的附着有显著减少作用？（ ）
A. 大肠杆菌
B. 变异链球菌
C. 乳酸菌
D. 绿脓杆菌
8、研究 MSB 对唾液微生物群落影响时，发现 MSB 具有以下哪种特性？（ ）
A. 增加物种多样性
B. 促进微生物群落生长
C. 降低物种多样性，抵抗微生物群落生长
D. 对微生物群落没有影响
9、MSB 回收过程中，用于解缠结的试剂是什么？（ ）
A. 乙醇
B. 甲酸
C. 氢氧化钠
D. 盐酸
10、回收后的 MSB（MSB - R1 和 MSB - R2）的力学性能如何？（ ）
A. MSB - R1 和 MSB - R2 的力学性能均明显下降
B. MSB - R1 的力学性能与原始 MSB 相当，MSB - R2 的力学性能下降明显
C. MSB - R1 的力学性能下降明显，MSB - R2 的力学性能与原始 MSB 相当
D. MSB - R1 和 MSB - R2 的力学性能均与原始 MSB 相当
参考文献：
Choi, W., et al. Viscoelastic and antimicrobial dental care bioplastic with recyclable life cycle. Nat Commun 15, 9205 (2024).
