2019-09-03
来源：浙大学术委员会
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。
人牙修复实验最“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。自恒牙长成的第一天起，牙釉质就在缓慢地消耗着，口腔细菌酵解糖类释放出的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，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，并且与天然组织之间也不能完全结合。所以，补牙之后医生会叮嘱你，不要用补的牙咬螃蟹、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。“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结合在需要修补的牙釉质界面上，同时引导晶体实现外沿生长，使得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。德国著名生物矿化学家、康斯坦兹大学 Helmut Cölfen 教授也评价说：“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。”
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”到什么程度？邵长鹆分享了研究中的一件趣事：当他第一次拿修复后的电镜照片给唐教授看时，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。
