一款微型化、無(wú)電池、可穿戴的牙齒貼片系統(tǒng)

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為了解決口腔內(nèi)原位傳感和局部給藥的挑戰(zhàn)，浙江大學(xué)的科研人員開發(fā)了一款微型化、無(wú)電池、可穿戴的牙齒貼片系統(tǒng)，可用于口腔微環(huán)境監(jiān)測(cè)及可控的氟化物給藥。作為貼合在牙齒上的柔性電子器件，這款用于口腔內(nèi)診斷治療的可穿戴系統(tǒng)，為齲齒和口腔疾病的即時(shí)監(jiān)測(cè)和治療提供了一個(gè)鼓舞人心的平臺(tái)。

用于口腔內(nèi)診斷治療的可穿戴牙齒貼片系統(tǒng)

據(jù)估計(jì)，恒牙齲齒影響著全球23億人，所有年齡段人群中，齲齒患病率為35%。盡管齲齒是全球公認(rèn)的公共衛(wèi)生挑戰(zhàn)，但在個(gè)人口腔健康管理中仍然被忽視。只有當(dāng)齲齒擴(kuò)散到牙髓，出現(xiàn)嚴(yán)重牙痛時(shí)，才會(huì)引起人們的關(guān)注，而這會(huì)引起感染、敗血癥，甚至導(dǎo)致牙齒脫落。

其實(shí)，通過(guò)局部氟化物給藥可以很容易地阻止和逆轉(zhuǎn)牙齒的早期病變。因此，早期預(yù)防和及時(shí)的氟化物治療對(duì)于齲齒的管理至關(guān)重要。不幸的是，形成齲齒后，手術(shù)治療仍然是其管理的主要臨床策略，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的臨床目視檢查和牙科X光片無(wú)法檢測(cè)到牙釉質(zhì)的早期變化。因此，開發(fā)一種與治療相結(jié)合的高靈敏度即時(shí)傳感系統(tǒng)是早期預(yù)防和及時(shí)治療齲齒的迫切需求。

這款完全集成的可穿戴、無(wú)電池牙齒貼片，可以無(wú)線原位監(jiān)測(cè)口腔微環(huán)境并按需給藥。它由控制電路和功能電極陣列組成，微型柔韌的特點(diǎn)使其可與牙齒完美貼合?？蒲腥藛T還開發(fā)了一款電位型電化學(xué)傳感器，用于監(jiān)測(cè)口腔微生物代謝引起的牙齒表面局部酸性環(huán)境的波動(dòng)，從而預(yù)警潛在的齲齒病變。通過(guò)電刺激，及時(shí)輸送氟化物進(jìn)行反饋治療?？蒲腥藛T開發(fā)的近場(chǎng)通信（NFC）模塊，目的是通過(guò)移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)能量和數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)需機(jī)載電池的口腔感應(yīng)和主動(dòng)控制給藥。這款可貼合在牙齒上的柔性電子器件為預(yù)防齲齒提供了一種解決方案，這在口腔疾病的監(jiān)測(cè)和治療方面有廣闊的前景。

綜合考慮佩戴的安全性和舒適性，該牙齒貼片由控制電路和電極陣列（電化學(xué)傳感器）組成的雙層結(jié)構(gòu)集成，以減小其尺寸。當(dāng)致齲菌在牙齒上產(chǎn)生酸性物質(zhì)時(shí)，牙齒貼片的電位型電化學(xué)傳感器會(huì)記錄局部微環(huán)境中pH值的變化，并傳輸給智能手機(jī)，有關(guān)齲齒的潛在病變警告會(huì)隨之發(fā)出。根據(jù)需要，通過(guò)定制的手機(jī)應(yīng)用程序向給藥模塊發(fā)送指令，從而按需釋放氟化物，通過(guò)抑制細(xì)菌活動(dòng)和促進(jìn)再礦化，有效地阻止和逆轉(zhuǎn)齲齒病變。

為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)和可控給藥，科研人員開發(fā)的基于電化學(xué)測(cè)定的電極陣列，用于微環(huán)境監(jiān)測(cè)和承載氟化物。如下圖a所示，柔性電極陣列微型、超薄且輕巧，只有15mg重。電極被逐層修飾以用于傳感和載藥（下圖c）。最重要的是，科研人員開發(fā)的具有高靈敏度和選擇性的pH傳感器，可以監(jiān)測(cè)牙菌斑形成過(guò)程中致齲菌的酸性代謝，有望用于指示牙釉質(zhì)的微環(huán)境波動(dòng)。

柔性電極陣列的制備和表征

這款智能牙齒貼片可以通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)牙齒表面的pH值波動(dòng)，來(lái)評(píng)估口腔微環(huán)境的酸化狀況，實(shí)現(xiàn)齲齒病變過(guò)程的監(jiān)測(cè)和預(yù)警（下圖a）。與傳統(tǒng)耗時(shí)的培養(yǎng)檢測(cè)相比，該智能牙齒貼片為口腔內(nèi)齲齒狀況的評(píng)估提供了一個(gè)高效、可靠的解決方案。

使用牙齒貼片進(jìn)行口腔微環(huán)境原位監(jiān)測(cè)

因此，這項(xiàng)研究中開發(fā)的智能牙齒貼片能夠原位監(jiān)測(cè)牙齒表面的局部pH值，直觀地實(shí)時(shí)反映牙釉質(zhì)狀態(tài)，有利于預(yù)防齲齒。當(dāng)口腔經(jīng)常出現(xiàn)酸性微環(huán)境時(shí)，智能手機(jī)會(huì)發(fā)出警報(bào)，提示需要進(jìn)行口腔清潔以及氟化物治療。

由于氟化物給藥是治療早期齲齒的最有效策略之一，因此將電控給藥模塊集成到牙齒貼片中，用于按需齲齒治療。一旦智能手機(jī)發(fā)出治療指令，施加在電極上的負(fù)電位就會(huì)使氟化物局部釋放在牙齒表面（下圖a）。

電控氟化物給藥評(píng)估

綜上所述，浙江大學(xué)的科研人員開發(fā)了一種帶有電化學(xué)傳感器和電控氟化物給藥模塊的口腔內(nèi)診斷治療的可穿戴牙齒貼片系統(tǒng)，用于原位監(jiān)測(cè)和按需治療齲齒。體外致齲菌實(shí)驗(yàn)和人體試驗(yàn)表明，該傳感器對(duì)局部口腔微環(huán)境波動(dòng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)具有較高的靈敏度和可靠性。在電壓刺激下釋放的氟化物表現(xiàn)出良好的抑菌活性。監(jiān)測(cè)和治療模塊均由支持NFC功能的智能手機(jī)無(wú)線控制和供電，可根據(jù)傳感器檢測(cè)到的信號(hào)及時(shí)進(jìn)行氟化物治療。這種即時(shí)護(hù)理系統(tǒng)為口腔內(nèi)可穿戴電子器件提供了實(shí)現(xiàn)生物標(biāo)志物實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和個(gè)性化醫(yī)療保健應(yīng)用按需給藥的機(jī)會(huì)。

論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41528-022-00185-5

審核編輯 ：李倩