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科学封面(第37期)丨牙齿有缺损?两滴药水,“长”出牙釉质

编辑:叶鑫 来源:学术委员会 时间:2019年09月02日 访问次数:681  源地址

浙江大学化学系的唐睿康教授即将迎来一次“长”牙的体验。他带领的研究团队发明出一种仿生修补液在牙釉质的缺损处滴上两滴,48小时内缺损表面能“长”出2.5微米晶体修复层,其成分、微观结构和力学性能与天然牙釉质几乎一致,并与原有组织无缝连结,浑然一体。


  

德国著名生物矿化学家、康斯坦兹大Helmut Cölfen教授评价说:这是我所知道的迄今为止最好的牙釉质修复材料有望在临床上真正实现牙釉质的原位修复。


论文8月30日在线发表在Science Advances(《科学进展》)杂志。论文第一作者为化学系邵长鹆博士,共同通讯作者为化学系刘昭明博士。



图:人牙修复实验


最“硬”的挑战


资料显示,牙釉质的摩氏硬度(一种相对硬度的表示方法)比金刚石略低,与水晶相当,是人体中最硬的天然生物材料。这层包裹于牙齿表面的半透明的物质,厚度约为2 毫米左右,其无机矿物含量高达96%。邵长鹆介绍,牙釉质近似于一层天然的无机晶体矿物,主要是成分是羟基磷灰石晶体,其排布非常致密,纤维状的纳米羟基磷灰石首先通过紧密聚集形成直径约5微米的釉柱,然后这些釉柱进一步交叉排列形成高度有序的层级结构,让牙釉质坚如磐石,于是我们能够自如地切割、研磨食物。


图:牙齿的剖面结构  


牙釉质作为高度矿化的生物组织,几乎可被视为纯无机物,由于缺乏包括细胞在内的生物有机基质,因此无法再生。自恒牙长成的第一天起,牙釉质就在缓慢地消耗着,细菌酵解食物中的糖类物质释放出酸以及酸性饮料都会加速它的消耗。一旦牙釉质的防线被突破,整颗牙就像失去了保护伞。让很多人噩梦般痛苦的蛀牙,都是从牙釉质的破坏开始的。


修复牙釉质,堪称是仿生领域一项最“硬”的挑战,科学家们没有停止过尝试。常见的补牙材料,例如复合树脂、陶瓷和汞合金等,它们几乎发挥着“填料”的功能,适用于“大洞”修补,但对小缺小裂却填不进去,并且与天然组织之间也不能完全结合,所以,补牙之后医生一定会叮嘱你,咬螃蟹,嗑核桃之类的事就属于危险动作了;在其他一些实验室,科学家还尝试了仿生矿化的方法,由于牙釉质结构的复杂性,过去还无法有效获得与天


然釉质多级结构一致的大面积修复层,达不到临床应用要求,也没能真正在牙齿上实现修复。


理想的修复方法,应该是材料、结构、力学性能三者的统一,而且能实现原位修复。”刘昭明说。



两滴修补液,“长”出牙釉质


唐睿康团队提出了一种全新的修复策略,有望将牙修复从“填补”时代带入到“仿生再生”阶段。


图:不同再生时期,人牙釉质的扫描电镜图片(6小时,12小时和48小时)。蓝色区域是天然牙釉质,绿色区域是修复后的牙釉质。黑色标尺为1微米。


研究团队成员将富含磷酸钙团簇的溶液,用滴管滴在人工龋齿表面,随后将其放入到一个模拟口腔唾液环境的溶液中,等待。接下来的48小时里,虽然肉眼看不出任何变化,但事实上,牙齿表面已经发生了“翻天覆地”的进展——牙釉质长出来了。“龋齿的表面首先形成了一个仿生矿化前沿,”唐睿康说,这个仿生矿化前沿能完全的结合在需要修补的牙釉质界面上,同时能引导接下来晶体的外沿生长,让羟基磷灰石长出类似于釉柱结构的晶体,并朝特定的方向有序排列。实验测量显示,48小时后,牙釉质“长”高了2~3微米。“也就是说,牙齿上长出了一种连续的材料,一个与原组织一模一样、完全结合的生物结构。”邵长鹆说。


刘昭明说,大概在2000年前后,随着观测手段的进步,科学家得以观察到动物的成骨过程,“斑马鱼骨骼的生长,海胆的刺的生长,都是一个在无定形矿物层上实现晶体外延生长的过程,我们发现,我们对牙的修复过程与生物的成骨过程非常类似。


在临床医生看来,这几乎是目前最接近临床应用的实验室产品。浙大校医院、浙大医学院附属口腔医院的医生们很支持,把一罐罐的牙齿标本往实验室送。“所以我们是直接在人牙上做实验。”邵长鹆说,“两年下来,做过实验的牙齿可以装满一个脸盆。


最真牙釉质


“我们用了与人体相同的材料,实现了结构性的完全修复,和本体组织几乎一模一样。”刘昭明对这一研究十分自信。


图:单颗人牙的照片。左边黑色区域为未修复的牙,右侧黄绿色区域为用我们材料修复后的人牙(颜色是由荧光标记物产生,用于区分两个区域)。两张插入图是修复前后的牙釉质扫描电镜图,白色标尺为1微米。


“真”到什么程度?邵长鹆第一次拿修复后的电镜照片给唐教授看,唐教授端详了半天,将信将疑:“这还是原来的牙吧,是不是修复材料脱落了?”没多解释,邵长鹆回去重新做实验。这一次,他建立了对照组,把整颗牙分为两部分,其中一半滴上修补液并修补液里添加了荧光指示剂。这样一来,证据充分了:虽然电镜图辨别不出人工修补的痕迹,但荧光剂指示了修补的具体位置。确实,人工牙釉质已达到了“以假乱真”的效果,即便是牙医也不能通过已有的经验分辨出修复前后的牙釉质。


研究还进一步测试了修复材料的力学性能,实验人员用纳米压痕技术测试牙釉质修复层的力学强度。结果显示,长出来的人工牙釉质,其硬度和弹性模量与天然牙釉质的数值几乎相同。“也就是说,我们不但在结构、外形上修复了,在力学性能上也实现了修复。”刘昭明说。


巧的是,唐睿康本人的门牙上有一处隐裂,牙医说缝太细,目前的医学手段修不了。这项研究有了进展后,唐教授主动提议在自己身上做实验,开展仿生矿化牙釉质修复的验证,届时科学家又要开始“长牙”了。


当然,如果要真正实现临床应用,该项技术还需经历严格的动物实验和临床验证。“虽然我们实现了天然牙釉质的结构性原位修复,但牙缺损形式繁多,下一步需要针对不同的情况进一步研发修复模型,确保可控与有效。”邵长鹆说。


这项研究受到了国家重点研发项目,国家自然科学基金和中国博士后科学基金的支持。项目结题时,唐教授被修复的牙齿将是其中一份“答卷”


(科学撰稿人 周炜)


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