人牙修复实验

牙釉质是人体中最硬的天然生物材料，确保我们在进食坚硬的食物时不易磕坏牙齿。然而，一旦遭到破坏，牙釉质的修复成为一大难题。在一项发表于《科学·进展》的最新研究中，浙江大学化学系教授唐睿康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，就能在48小时内“长”出成分、微观结构和力学性能与天然牙釉质几乎一致的晶体修复层，并与原有组织无缝连结。这项研究，有望将牙齿修复带入“仿生再生”阶段。

撰文

周炜

来源

求是风采。浙大学术委员会

最“硬”的挑战

牙釉质是包裹于牙齿表面的半透明物质，厚度约为2毫米，其无机矿物含量高达96%。作为人体中最硬的天然生物材料，其硬度甚至高过钢材。

论文第一作者邵长鹆博士介绍了牙釉质如此坚硬的原因。牙釉质近似于一层天然的无机晶体矿物，主要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。

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。自恒牙長成的第壹天起，牙釉質就在緩慢地消耗著，口腔細菌酵解糖類釋放出的酸以及酸性飲料都會加速它的消耗。壹旦牙釉質的防線被突破，整顆牙就失去了保護傘。讓很多人噩夢般痛苦的蛀牙，都是從牙釉質的破壞開始的。

修復牙釉質，堪稱是仿生領域壹項最“硬”的挑戰，科學家們沒有停止過嘗試。常見的補牙材料，例如復合樹脂、陶瓷和汞合金等，主要發揮著“填料”的功能，適用於“大洞”修補，但無法填進小缺小裂，並且與天然組織之間也不能完全結合。所以，補牙之後醫生會叮囑妳，不要用補的牙咬螃蟹、嗑核桃了。

在其他一些实验室，科学家还尝试了仿生矿化的方法。但由于牙釉质结构的复杂性，此前人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。”论文共同通讯作者刘昭明博士说。

两滴修补液，“长”出牙釉质

在最新的研究中，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“仿生再生”阶段。

研究团队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。接下来的48小时，虽然肉眼看不出任何变化，但通过扫描电镜，研究者发现牙齿表面已经出现了“翻天覆地”的进展——牙釉质长出来了。

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。

“齲齒的表面首先形成了壹個仿生礦化前沿。”唐睿康說，這個仿生礦化前沿能完全結合在需要修補的牙釉質界面上，同時引導晶體實現外沿生長，使得羥基磷灰石長出類似於釉柱結構的晶體，並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。

劉昭明說，大概在年前後，隨著觀測手段的進步，科學家得以觀察到動物的成骨過程，“斑馬魚骨骼的生長，海膽的刺的生長，都是壹個在無定形礦物層上實現晶體外延生長的過程，我們發現，我們對牙的修復過程與生物的成骨過程非常類似。”

在臨床醫生看來，這幾乎是目前最接近臨床應用的實驗室產品。德國著名生物礦化學家、康斯坦茲大學HelmutC?lfen教授也評價說：“這是我所知道的迄今為止最好的牙釉質修復材料，有望在臨床上真正實現牙釉質的原位修復。”

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。

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”到什麽程度？邵長鵒分享了研究中的壹件趣事：當他第壹次拿修復後的電鏡照片給唐教授看時，唐教授端詳了半天，將信將疑：“這還是原來的牙吧，是不是修復材料脫落了？”沒多解釋，邵長鵒回去重新做實驗。這壹次，他建立了對照組，把整顆牙分為兩部分，其中壹半滴上修補液並修補液裏添加了熒光指示劑。這樣壹來，證據充分了：雖然電鏡圖辨別不出人工修補的痕跡，但熒光劑指示了修補的具體位置。確實，人工牙釉質已達到了“以假亂真”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，唐睿康本人的門牙上有壹處隱裂，牙醫說縫太細，目前的醫學手段修不了。這項研究有了進展後，唐教授主動提議在自己身上做實驗，開展仿生礦化牙釉質修復的驗證，屆時科學家又要開始“長牙”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。

原始论文：

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