牙釉質是人體中最硬的天然生物材料，確保我們在進食堅硬的食物時不易磕壞牙齒。然而，一旦遭到破壞，牙釉質的修復成為一大難題。在一項發表於《科學·進展》的最新研究中，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「長」出成分、微觀結構和力學性能與天然牙釉質幾乎一致的晶體修復層，並與原有組織無縫連結。這項研究，有望將牙齒修復帶入「仿生再生」階段。
人牙修復實驗
最「硬」的挑戰
牙釉質是包裹於牙齒表面的半透明物質，厚度約為 2 毫米，其無機礦物含量高達 96%。作為人體中最硬的天然生物材料，其硬度甚至高過鋼材。
論文第一作者邵長鵒博士介紹了牙釉質如此堅硬的原因。牙釉質近似於一層天然的無機晶體礦物，主要成分是羥基磷灰石晶體，其排布非常緻密：纖維狀的納米羥基磷灰石首先緊密聚集形成直徑約 5 微米的釉柱，然後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，於是我們能夠自如地切割、研磨食物。
牙釉質作為高度礦化的生物組織，幾乎可被視為純無機物，由於缺乏包括細胞在內的生物有機基質，因此無法再生。自恆牙長成的第一天起，牙釉質就在緩慢地消耗着，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。一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，堪稱是仿生領域一項最「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，主要發揮着「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你，不要用補的牙咬螃蟹、嗑核桃了。
在其他一些實驗室，科學家還嘗試了仿生礦化的方法。但由於牙釉質結構的復雜性，此前人們還無法獲得與天然釉質多級結構一致的大面積修復層，因此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。」論文共同通訊作者劉昭明博士說。
兩滴修補液，「長」出牙釉質
在最新的研究中，唐睿康團隊提出了一種全新的修復策略，有望將牙修復從「填補」時代帶入「仿生再生」階段。
研究團隊將富含磷酸鈣團簇的溶液，用滴管滴在人工齲齒表面，隨後將其放入到一個模擬口腔唾液環境的溶液中。接下來的 48 小時，雖然肉眼看不出任何變化，但通過掃描電鏡，研究者發現牙齒表面已經出現了「翻天覆地」的進展——牙釉質長出來了。
不同再生時期，人牙釉質的掃描電鏡圖片（6小時，12小時和48小時）。藍色區域是天然牙釉質，綠色區域是修復後的牙釉質。黑色標尺為1微米。
「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。實驗測量顯示，48 小時後，牙釉質「長」高了 2~3 微米。「也就是說，牙齒上長出了一種連續的材料，一個與原組織一模一樣、完全結合的生物結構。」邵長鵒說。
劉昭明說，大概在 2000 年前後，隨着觀測手段的進步，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，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 Helmut Cölfen 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。」
最真牙釉質
「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。」劉昭明對這一研究十分自信。
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我們材料修復後的人牙（顏色是由熒光標記物產生，用於區分兩個區域）。兩張插入圖是修復前後的牙釉質掃描電鏡圖，白色標尺為1微米。
「真」到什麼程度？邵長鵒分享了研究中的一件趣事：當他第一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。這一次，他建立了對照組，把整顆牙分為兩部分，其中一半滴上修補液並修補液里添加了熒光指示劑。這樣一來，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，即便是牙醫也不能通過已有的經驗分辨出修復前後的牙釉質。
研究還進一步測試了修復材料的力學性能，實驗人員用納米壓痕技術測試牙釉質修復層的力學強度。結果顯示，長出來的人工牙釉質，其硬度和彈性模量與天然牙釉質的數值幾乎相同。「也就是說，我們不但在結構、外形上修復了，在力學性能上也實現了修復。」劉昭明說。
巧的是，唐睿康本人的門牙上有一處隱裂，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。
當然，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。
來源：cnBeta
