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浙江大学发明神奇药水:滴上两滴可长出牙釉质

来源:本站原创 发布时间:2019-09-07

  2年时间里,浙江大学校医院、浙江大学医学院附属口腔医院源源不断地提供人牙齿标本,接收这些标本的实验室做过实验的牙齿装满了一整盆。

  这一盆牙齿的成果最终浓缩成一篇学术论文。8月30日,国际学术期刊《科学进展》(Science Advance)在线发表了“Repair of tooth enamel by a biomimetic mineralization frontier ensuring epitaxial growth”,研究团队发明了一种“药水”——仿生修补液,在牙釉质(enamel)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。

  浙江大学化学系教授唐睿康、化学系博士刘昭明为该论文的共同通讯作者,化学系博士邵长鹆系第一作者。据浙江大学官网报道,刘昭明对团队的这次成果非常自信,“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。”

  而德国著名生物矿化学家、康斯坦兹大学Helmut C lfen教授也给出高度评价: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。

  牙釉质,也称为珐琅质,是牙齿最外层的组织,你的微信正在被克隆成为养号刷量的水军,为哺乳动物体内最坚硬的组织,其摩氏硬度(利用矿物的相对刻划硬度划分矿物硬度的标准)仅比金刚石略低,与水晶相当。

  成熟的牙釉质96-99%由无机矿物(主要为钙和磷)组成,其他为水及有机物,这层半透明的物质厚度约为2毫米左右。

  邵长鹆介绍,无机矿物含量高达96%的牙釉质近似于一层天然的无机晶体矿物。其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。

  但值得注意的是,牙釉质内部并不具有包括细胞在内的生物有机基质,它不会再生。人类的牙齿一旦由乳牙换成恒牙后,牙釉质就处于被不断消耗的不可逆过程。口腔内残留食物在微生物作用下释放出酸类,以及酸性饮料等,则会加速牙釉质的消耗。

  论文中提到,虽然牙釉质的形成是整个生物发育过程的一部分,但成熟的牙釉质是没有细胞的,损伤后基本不能自我修复。

  可以说,龋齿,俗称的蛀牙等牙齿疾病,都从牙釉质的“失防”开始。而龋齿也是全球最常见的慢性疾病之一。

  目前临床上常见的复合树脂、陶瓷等修补措施常用于“大洞”修补。此次唐睿康等人则从着眼于牙釉质的小面积缺损,补救时间也更为提前。

  此前也有其他实验室的科学家尝试仿生矿化的方法,但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。

  唐睿康团队则从生物成骨过程启发。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。”刘绍明说。

  由此,研究团队提出了一种全新的修复策略。他们提出,基于HAP(羟基磷灰石)和无定形磷酸钙(ACP)的合理设计结构,可能模拟生物矿化前沿诱导牙釉质外延再生。

  团队此前的研究表明,20纳米左右的 ACP颗粒可以吸附甚至组装到牙釉质HAP晶体上,但这些颗粒不能诱导牙釉质晶体外延生长。一般来说,粒子间的结合和融合在较小的尺寸下更容易发生。

  然而,一个新的问题出现了:可诱导HAP生长的ACP颗粒的最小尺寸是多少?最近的研究表明,无论是大小为0.95纳米的波斯纳原子簇(Posners clusters),还是只有几纳米大小的磷酸钙离子团簇(CPICs),都可以作为ACP和HAP的基本组成部分。但是,这些超小离子团簇本身极不稳定,可以在几秒钟内自发聚集甚至成核。

  研究团队研究出一种新型的磷酸钙团簇(CPICs)。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。新的牙釉质在接下来的48小时内长出。

  “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。

  实验数据显示,48小时后,牙釉质“长”高了2-3微米。进一步的力学性能测试显示,长出来的人工牙釉质硬度和弹性模量与天然牙釉质的数值几乎相同。而外形上更是“以假乱真”,电镜图辨别不出人工修补痕迹,即使牙医也不能凭借经验分辨出修复前后的牙釉质。

  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。

  值得一提的是,唐睿康本人门牙上即有一处隐裂。他主动提议未来在自己身上做实验,开展仿生矿化牙釉质修复的验证。

  不过,研究团队强调,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。


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