摘要：针对短暂、稀释限制性使用的可溶性离子释放材料，必须在实现功能性能的同时，确保重复暴露下的安全性。本研究提出了一个临床参数化的框架，用于设计牙膏应用中的多离子、可溶性玻璃，该框架将混合物设计（Design-of-Mixtures, DoM）成分空间与刷牙相关的提取条件相结合。研究人员在约束的Ag2O–NaF–CaO设计域内合成、表征并评估了一系列玻璃，采用2分钟的水提取物来量化在临床合理稀释度下的溶解行为、多元素离子释放以及对变形链球菌（Streptococcus mutans）的抗菌活性。通过在混合物空间内保持恒定的提取比，研究人员在模拟短暂牙菌斑pH挑战的暴露条件下，分离了成分对早期溶解和离子形态的影响。成分-响应模型表明，钙释放建立了一个受热力学约束的、与再矿化相关的基线，而银介导的抗菌活性是非单调的且高度依赖于成分，这表明抗菌效力可以通过控制溶解而非增加银负载量来设计。研究发现了与形态敏感的协同释放相一致的Ag2O–NaF相互作用效应，支持了在优化抗菌性能的同时保持氟化物可用性的策略。研究人员应用了与ISO 10993-17标准一致的毒理学风险评估（Toxicological Risk Assessment, TRA）作为一种保守的、基于暴露的筛选工具，以映射整个设计空间的功效-安全性关系，并优先选择剂量高效的成分。综上，这个工作流程为评估抗菌离子释放玻璃，以及在现实的暴露条件下评估短暂、多离子递送材料提供了一个安全性约束框架。
一、研究背景、问题与目的
龋病是全球范围内最普遍的非传染性疾病，对全球卫生系统造成了巨大的临床和经济负担。现代观点日益将其视为一种由生物膜介导、饮食驱动的菌群失调，而非急性感染过程。疾病进展由摄入碳水化合物后反复、短期的产酸挑战所主导，这改变了牙菌斑内脱矿与再矿化之间的平衡。这一范式转变对预防策略具有重要意义：有效的干预必须在短暂、反复施加的暴露窗口内起作用，而非依赖长期的抗菌接触。
牙膏在此预防框架中占据独特位置。其使用频繁且覆盖人群广泛，但其治疗窗口受到刷牙机制的严格限制。典型的刷牙事件持续约两分钟，并因唾液分泌刺激而产生大量稀释，形成了一个短暂、高稀释度的环境。在此环境中，活性成分必须快速作用才能产生有意义的生物学效应。这个狭窄的治疗窗口暴露了传统材料设计的根本局限性，这些设计通常依赖体积特性、持续释放或持久的表面接触，不适用于快速、短暂的口腔环境。这些限制加强了对符合抗菌管理原则的抗菌策略的兴趣。在龋病非系统性感染的背景下，菌群失调的口腔生物膜是门诊抗生素处方的重要原因，因此预防性口腔保健可作为一个上游杠杆，以减少不必要的抗菌药物暴露和耐药性负担。在此背景下，全球卫生机构日益强调剂量高效、非抗生素的方法，以抑制早期细菌过度生长，同时不过度施加选择压力。因此，能够在短接触条件下提供快速、局部、多机制抗菌作用的材料，代表了传统为长时间或高剂量暴露设计的抗菌剂的有力替代品，前提是治疗功能被内在地嵌入材料中，以在最大限度提高疗效的同时，最小化系统性暴露和耐药性发展。
基于材料的策略已被广泛探索，包括传统抗菌剂、再矿化添加剂和离子释放生物材料。然而，许多方法为长时间接触或持续局部浓度进行了优化，限制了其在刷牙短暂条件下的有效性。在这一背景下，生物活性玻璃因其通过受控溶解递送治疗性无机离子的能力而受到越来越多的关注，能够在无需依赖传统抗生素的情况下实现同时抗菌和与再矿化相关的效应。与硅酸盐基生物活性玻璃相比，硼酸盐基系统的内在溶解速率更高，且早期离子释放行为依赖于其成分。然而，多组分硼酸盐生物活性玻璃尚未在临床现实的、与日常口腔卫生相关的短持续时间暴露条件下进行系统设计或评估。先前的研究主要通过长时间浸泡条件或单一离子及孤立的生物学终点来检查材料，未能解决在刷牙所施加的狭窄暴露窗口内实现快速抗菌效力、再矿化和可接受的系统安全性的综合挑战。在此暴露框架内，毒理学风险评估（TRA）提供了一种定量方法，将安全性视为依赖于成分的设计约束，而非事后结果，使测得的离子释放能够通过基于暴露的安全框架与既定的可耐受摄入阈值直接比较。与此同时，硼酸盐生物活性玻璃的生物功能源于钙、银和氟化物的协调释放，它们在矿物热力学、抗菌活性和矿物稳定方面的独特作用通过多组分体系中的网络结构和溶解行为内在耦合。
因此，本研究旨在系统研究多组分硼酸盐生物活性玻璃成分。研究人员采用混合物设计（DoM）框架，在模拟刷牙条件的临床启发的两分钟提取方案下评估其性能。通过ISO 10993标准一致的毒理学风险评估（TRA）评估安全性，并通过早期溶解、多离子释放和对S. mutans的抗菌反应确定功效。本工作的目标是界定一个治疗窗口，在该窗口内，最佳的抗菌效力、与再矿化相关的钙可用性与可接受的系统安全范围共存，从而为预防性口腔保健的剂量高效生物活性材料设计建立合理基础。
二、关键技术方法概述
研究人员采用了混合物设计（DoM）统计框架，设计了16种不同成分的硼酸盐生物活性玻璃（BAGF），成分空间涵盖了B2O3、CaO、Ag2O、NaF和固定量的Na2SO4。研究建立并应用了一个临床相关的提取比（5.15 mg/mL）来模拟刷牙两分钟的暴露条件，该比例基于0.67克/次的牙膏用量、5 wt%的玻璃负载量以及3.25 mL/min的刺激唾液流速计算得出。所有评估均在此条件下进行。安全性评估采用了基于ISO 10993-17的毒理学风险评估（TRA）框架，针对硼、氟化物和银计算了每日预期暴露量和安全边际（MOS）。溶解和离子释放评估通过2分钟提取实验进行，测量质量损失百分比，并使用电感耦合等离子体-发射光谱法（ICP-OES）量化提取物中的银和钙离子浓度。抗菌活性评估采用肉汤微量稀释法，针对变形链球菌（ATCC® 25175™）测定最低抑菌浓度（MIC）和最低杀菌浓度（MBC），并通过光学密度（OD）监测生长抑制动力学。最后，使用Design-Expert软件对实验数据（包括溶解率、离子释放率和抗菌抑制百分比）进行混合物回归模型分析，以量化各组分及其相互作用的影响。
三、研究结果
1. 理论毒理学风险评估
基于完全溶解的假设计算了每日离子暴露量。评估表明，在所研究的设计空间内，硼和氟化物的暴露量远低于其可耐受摄入水平，其安全边际（MOS）均大于1，不构成系统性安全限制。相比之下，银是主要的风险驱动离子。在基于美国环保署（EPA）参考剂量的保守可耐受暴露阈值下，Ag2O含量≤0.75 mol%的配方可维持可接受的系统性风险（MOS ≥ 1），而高银（≥1.0 mol%）成分则低于此安全阈值。采用基于人类观察数据的更宽松的暴露阈值时，安全窗口可扩展至Ag2O含量约1.5 mol%以下的成分。因此，银定义了系统性安全窗口的上限。
2. 溶解行为
所有玻璃在HEPES缓冲液中均表现出可测量的溶解，2分钟质量损失范围为12.9%至52.3%，相应的提取物浓度为0.67至2.69 mg/mL。混合物回归模型分析显示，NaF对2分钟质量损失有最大的正向影响，而Ag2O则表现出最强的负向影响。B2O3*NaF的相互作用对溶解率的影响最大。
3. 离子释放分析
在2分钟提取时间内，银离子浓度范围为0至60 ppm，释放速率在0至30 ppm/min之间。钙离子浓度范围为16.8至77.3 ppm，释放速率在8.4至38.7 ppm/min之间。回归模型表明，Ag2O是影响银释放的最主要成分项，而CaO是影响钙释放的最主要成分项。CaO*NaF的相互作用对钙释放速率有最显著的影响。
4. 抗菌活性
根据MIC和MBC结果，16种成分中有4种（BAGF 1, 3, 6, 13）表现出杀菌活性，6种（BAGF 4, 5, 9, 10, 11, 16）表现出抑菌活性，其余6种（BAGF 2, 7, 8, 12, 14, 15）在测试条件下无明显抗菌效果。光学密度（OD）测量进一步揭示了时间和浓度依赖的生长趋势。抗菌抑制百分比的混合物模型拟合良好，编码方程分析表明，Ag2O*NaF的相互作用对抑制响应的负向影响最大。
5. 安全性与功效的相关性与整合
相关性分析揭示了早期溶解、离子释放和抗菌功效之间不同且可分离的成分控制关系。抗菌功效与Ag2O含量呈最强的正相关。将抗菌性能与毒理学安全边际整合到“治疗窗口”图中分析发现，一些能实现>50%抑制率的成分其安全边际低于阈值（MOS < 1），属于有效但不安全的配方。而另一个不同的配方子集则同时满足了功效和安全性标准，界定了一个安全且有效的治疗窗口。在此区域内，钙释放速率范围宽广，使得在治疗窗口内可根据钙递送能力进一步区分安全合规的配方。
四、讨论与结论总结
讨论部分总结：
本研究在临床相关的短接触暴露条件下，对多组分硼酸盐生物活性玻璃进行了系统性评估。核心贡献在于证明了基于ISO 10993-17的毒理学风险评估（TRA）可作为一种基于暴露的早期筛选框架，用于快速溶解的离子释放生物材料。在该框架下，银是系统性安全的主要限制因素，而硼和氟化物在所研究的成分空间内不构成约束。所有玻璃在临床相关的刷牙窗口内均表现出显著的早期溶解，其变异性反映了成分控制的早期溶解动力学。钙释放建立了一个与再矿化相关的热力学许可基线，其释放受CaO主效应和显著的交互相（如与NaF）调控。抗菌反应谱包括杀菌、抑菌和无效果活性，其效力由成分相互作用和提取比例共同决定，而非单纯的提取物浓度。值得注意的是，银介导的抗菌效力是非单调的，且高度依赖于成分，表明可通过控制溶解而非单纯增加银负载来设计抗菌效力。研究还观察到与银形态/生物利用度调节相关的Ag2O-NaF相互作用效应。通过整合安全性、溶解、抗菌功效和钙热力学，研究揭示了一个离散的“治疗窗口”，在该窗口内，有意义的抗菌性能与可接受的毒理学安全边际共存。在此窗口内，抗菌功效通过剂量高效、成分介导的银释放实现，钙释放则作为与再矿化相关的次级设计变量。本研究定位为基于暴露的早期筛选工作，后续研究应对选定的配方进行生物膜模型、细胞毒性、刺激性和与牙釉质相关的再矿化等更深入评估。
研究结论：
本研究为日常口腔护理中的离子释放生物材料引入了一个基础性的“安全设计”框架，从根本上改变了在现实暴露条件下开发预防性材料的方式。该框架将临床相关的提取与混合物设计（DoM）方法相结合，并将符合ISO 10993-17的毒理学风险评估（TRA）作为首要筛选工具，实现了系统性安全性和材料性能的同步评估。研究表明，早期溶解和多离子释放是受成分控制的过程，直接决定了在刷牙相关时间尺度上的功能结果。重要的是，钙释放作为定义再矿化许可度的热力学约束，而银介导的抗菌功效被证明是非单调的，由成分相互作用而非剂量递增驱动。这些结果明确界定了一个离散的治疗窗口：在不影响安全边际的前提下实现强大的抗菌功效。通过将暴露、安全性和离子相互作用作为同等重要的设计输入，这项工作改变了预防性口腔生物材料的开发模式，从经验性筛选转向理性的、治疗性设计，明确地将功效与严格的安全约束结合起来。
