只需兩滴“神奇”藥水就能“長”牙釉質,這不是天方夜譚。近日,浙江大學化學系教授唐睿康帶領的研究團隊發明出一種仿生修補液,在牙釉質的缺損處滴上兩滴,就能在48小時內在缺損表面“長”出2.5微米晶體修復層,其成分、微觀結構和力學性能與天然牙釉質幾乎一致,并與原有組織無縫連結,渾然一體。
8月30日,國際學術期刊《科學進展》在線發表論文介紹,該研究團隊發明了一種“藥水”——仿生修補液,在牙釉質的缺損處滴上兩滴,48小時內缺損表面能“長”出2.5微米晶體修復層,其成分、微觀結構和力學性能與天然牙釉質幾乎一致,并與原有組織無縫連結。
浙江大學化學系教授唐睿康、化學系博士劉昭明為該論文的共同通訊作者,化學系博士邵長鵒系第一作者。據浙江大學官網報道,劉昭明對團隊的這次成果非常自信,“我們用了與人體相同的材料,實現了結構性的完全修復,和本體組織幾乎一模一樣。”
而德國著名生物礦化學家、康斯坦茲大學Helmut教授也給出高度評價: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。
人體最堅硬的“消耗品”
牙釉質,也稱為琺瑯質,是牙齒最外層的組織,為哺乳動物體內最堅硬的組織,其摩氏硬度(利用礦物的相對刻劃硬度劃分礦物硬度的標準)僅比金剛石略低,與水晶相當。
成熟的牙釉質96-99%由無機礦物(主要為鈣和磷)組成,其他為水及有機物,這層半透明的物質厚度約為2毫米左右。
邵長鵒介紹,無機礦物含量高達96%的牙釉質近似于一層天然的無機晶體礦物。其主要是成分是羥基磷灰石晶體,其排布非常致密,纖維狀的納米羥基磷灰石首先通過緊密聚集形成直徑約5微米的釉柱,然后這些釉柱進一步交叉排列形成高度有序的層級結構,讓牙釉質堅如磐石。
正因如此,人類才能夠用牙齒自如地切割、研磨食物。
但值得注意的是,牙釉質內部并不具有包括細胞在內的生物有機基質,它不會再生。人類的牙齒一旦由乳牙換成恒牙后,牙釉質就處于被不斷消耗的過程不可能過程。口腔內殘留食物在微生物作用下釋放出酸類,以及酸性飲料等,則會加速牙釉質的消耗。
論文中提到,雖然牙釉質的形成是整個生物發育過程的一部分,但成熟的牙釉質是沒有細胞的,損傷后基本不能自我修復。
可以說,齲齒,俗稱的蛀牙等牙齒疾病,都從牙釉質的“失防”開始。而齲齒也是全球最常見的慢性疾病之一。
目前臨床上常見的復合樹脂、陶瓷等修補措施常用于“大洞”修補。此次唐睿康等人則從著眼于牙釉質的小面積缺損,補救時間也更為提前。
此前也有其他實驗室的科學家嘗試仿生礦化的方法,但由于牙釉質結構的復雜性,過去還無法有效獲得與天然釉質多級結構一致的大面積修復層,達不到臨床應用要求,也沒能真正在牙齒上實現修復。
“理想的修復方法,應該是材料、結構、力學性能三者的統一,而且能實現原位修復。”劉昭明說。
從“填補”時代到“仿生再生”
唐睿康團隊則從生物成骨過程啟發。2000年前后,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,都是一個在無定形礦物層上實現晶體外延生長的過程。”劉紹明說。
由此,研究團隊提出了一種全新的修復策略。他們提出,基于HAP(羥基磷灰石)和無定形磷酸鈣(ACP)的合理設計結構,可能模擬生物礦化前沿誘導牙釉質外延再生。
團隊此前的研究表明,20納米左右的 ACP顆粒可以吸附甚至組裝到牙釉質HAP晶體上,但這些顆粒不能誘導牙釉質晶體外延生長。一般來說,粒子間的結合和融合在較小的尺寸下更容易發生。
然而,一個新的問題出現了:可誘導HAP生長的ACP顆粒的最小尺寸是多少?最近的研究表明,無論是大小為0.95納米的波斯納原子簇(Posner’s clusters),還是只有幾納米大小的磷酸鈣離子團簇(CPICs),都可以作為ACP和HAP的基本組成部分。但是,這些超小離子團簇本身極不穩定,可以在幾秒鐘內自發聚集甚至成核。
研究團隊研究出一種新型的磷酸鈣團簇(CPICs)。將富含磷酸鈣團簇的溶液,用滴管滴在人工齲齒表面,隨后將其放入到一個模擬口腔唾液環境的溶液中。新的牙釉質在接下來的48小時內長出。
“齲齒的表面首先形成了一個仿生礦化前沿。”唐睿康說,這個仿生礦化前沿能完全的結合在需要修補的牙釉質界面上,同時能引導接下來晶體的外沿生長,讓羥基磷灰石長出類似于釉柱結構的晶體,并朝特定的方向有序排列。
實驗數據顯示,48小時后,牙釉質“長”高了2-3微米。進一步的力學性能測試顯示,長出來的人工牙釉質硬度和彈性模量與天然牙釉質的數值幾乎相同。而外形上更是“以假亂真”,電鏡圖辨別不出人工修補痕跡,即使牙醫也不能憑借經驗分辨出修復前后的牙釉質。
單顆人牙的照片。左邊黑色區域為未修復的牙,右側黃綠色區域為用材料修復后的人牙(顏色是由熒光標記物產生,用于區分兩個區域)。兩張插入圖是修復前后的牙釉質掃描電鏡圖,白色標尺為1微米。
研究團隊認為,該研究有望將牙修復從“填補”時代帶入到“仿生再生”階段。
值得一提的是,唐睿康本人門牙上即有一處隱裂。他主動提議未來在自己身上做實驗,開展仿生礦化牙釉質修復的驗證。
不過,研究團隊強調,如果要真正實現臨床應用,該項技術還需經歷嚴格的動物實驗和臨床驗證。“雖然我們實現了天然牙釉質的結構性原位修復,但牙缺損形式繁多,下一步需要針對不同的情況進一步研發修復模型,確保可控與有效。”邵長鵒說。