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中国科学家有望利用神奇“药水”快速修复牙釉质

来源:本站原创 2019-09-20 22:27

牙釉质是一种包裹在牙齿表面的半透明物质,厚度约为2毫米,其中无机矿物含量高达96%;作为人体中最硬的天然生物材料,牙釉质能确保我们在进食坚硬的食物时不易磕坏牙齿。然而一旦牙釉质遭到破坏,对其进行修复就成为了一大难题;牙釉质作为高度矿化的生物组织,由于缺乏包括细胞在内的生物有机基质,因此无法再生[1]。

对于科学家们而言,修复牙釉质堪称是仿生领域一项最“硬”的挑战,他们从来没有停止过尝试。常见的诸如复合树脂、陶瓷等补牙材料主要发挥着“填料”的功能,适用于“大洞”修补,但无法填进小缺小裂,并且与天然组织也不能完全结合;有研究人员还尝试利用仿生矿化的方法来修复牙釉质,但由于牙釉质结构的复杂性,此前科学家们还无法获得与天然釉质多级结构一致的大面积修复层,因此常常达不到临床应用要求,也没能真正在牙齿上实现修复。

CPICs的合成和特性分析、并制造ACP

图片来源:Changyu Shao et al. doi10.1126/sciadv.aaw9569

近日,一项刊登在国际杂志Science Advances上的研究报告中,来自中国浙江大学和厦门大学的科学家们通过联合研究开发了一种修复牙釉质的新方法,同时他们还在文章中阐明了这种新方法作用的原理[2]。

这项研究中,研究人员首次开发了尺寸仅有1.5纳米直径的碳酸钙簇,这种微型的碳酸钙簇证实天然牙釉质的主要成分,随后研究者利用化合物三乙胺来制备每一个微小簇结构,这样就能防止其聚集在一起,当制备好之后,研究者将碳酸钙簇结构与应用在晶体羟基磷灰石样品上的凝胶混合在一起,晶体羟基磷灰石是一种与人类牙釉质非常相似的材料,研究结果表明,与牙齿进行融合的碳酸钙簇状结构能形成覆盖样品的保护层,进一步研究后研究者发现,新形成的层状结构比以往工作中得到的层状结构都要紧密,这种紧密性能使得新材料与旧材料融合在一起,而并不非是形成多个晶体区域。

随后研究人员使用经过酸处理的真正的人类牙齿来进行相同测试以去除牙釉质,他们表示,当使用这种新型材料48小时后,牙齿上长出了大约2.7微米的结晶层,利用显微镜进行检查后研究者发现,形成的结晶层拥有和天然牙釉质非常相似的结构;而物理测试结果表明,新形成的“牙釉质”结构再强度和耐磨性上与天然的牙釉质相同。研究还进一步测试了修复材料的力学性能,他们利用纳米压痕技术测试牙釉质修复层的力学强度,研究结果表明,长出来的人工牙釉质在硬度和弹性模量与天然牙釉质的数值几乎相同,也就是说,研究者不仅在结构外形上对其进行了修复,还在力学性能上也实现了修复。

图片来源:Changyu Shao et al. doi10.1126/sciadv.aaw9569

尽管目前研究人员已经开发出了一系列用于牙釉质修复的材料,比如复合树脂、陶瓷和银汞合金等,但由于这些材料与天然牙釉质并不能完美结合,所以其无法实现对牙釉质的永久性修复,而通过外延再矿化重新生长的羟磷灰石(HAP)层就能与天然牙釉质完美结合,从而实现对牙釉质的永久性修复,这一过程未来有望在临床试验中成为治疗牙釉质侵蚀的有效手段。可能会有人担心在牙釉质修复过程中使用有机稳定剂三乙胺(TEA)的毒性,目前TEA广泛用于制药行业,其允许的暴露剂量为62.5mg/天;在研究人员进行的牙釉质修复实验中,他们使用1mL CPIC酒精溶液(2mg/mL)进行处理,总的TEA用量仅为27.6mg,研究者表示,利用乙醇蒸发能够有效去除TEA,因此在牙釉质修复过程中并不会有残留的TEA,另外一个关心的问题就是较薄的修复层,因为2.8微米是目前无定形磷酸钙(ACP)层中牙釉质外延生长的距离限制,这种限制可能归因于仿生结晶前沿移动速率与ACP寿命之间的竞争,从理论上来讲,通过增加定向结晶或增强ACP的稳定性就能够改善上述厚度,但通过实验研究后研究者发现,使用当前的方法进行循环处理就能够使得修复层变厚,因此,TEA稳定的磷酸钙离子簇(CPICs)或有望作为未来牙科领域极具潜力的修复材料。

研究者表示,牙釉质修复的关键就是精确复制其分层和复杂结构,此外,生物性灵感材料合成的一个基本挑战就是发现一种行之有效的方法来将自然材料中的复杂结构复制到人工结构中去;目前研究者可以将牙釉质再生策略扩展为构建具有结构复杂性材料的一般策略,这能够通过建立连续和外延构造的仿生矿化边界所实现,其中离子簇扮演着基本模块的角色,这一研究成果不仅加深了研究人员对于生物矿化过程的理解,对于后期开发修复牙釉质的新方法也提供了新的思路。

牙釉质作为牙齿的重要组成部分,包绕在牙冠表面,呈现乳白色,其对于保护牙齿的健康至关重要,根据第三次“全国口腔健康调查”数据显示,我国有超过90%公民有牙齿不齐、牙齿缺失、龋齿、松动等问题,在9月20日全国爱牙日到来之际,让我们先从如何有效修复牙釉质相关的知识开始,学习如何有效保护牙齿的健康吧!

参考资料:

【1】周炜. 两滴药水,48小时完美修复龋齿!中国科学家新发明,实现牙釉质自我修复[EB/OL]. https://mp.weixin.qq.com/s/kwsiqaV54p5URvbh0ABrSw,2019-09-02/2019-09-07

【2】Changyu Shao, Biao Jin, Zhao Mu,et al. Repair of tooth enamel by a biomimetic mineralization frontier ensuring epitaxial growthScience Advances (2019). DOI: 10.1126/sciadv.aaw9569

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