牙……疼麼:浙江大學團隊補牙黑科技,幾滴藥水再生牙釉質

2020-11-26 騰訊網

▎學術經緯/報導

你是否面臨這樣的困擾，進食冷、熱、酸、甜的食物或飲料時牙齒刺痛或酸痛，有時吸入冷空氣甚至刷牙也會出現類似的症狀？

長了蛀牙？有可能……還有可能是牙齒敏感……總之，是牙釉質出現了問題。

牙齒是由牙釉質（enamel）、牙本質（dentin）及牙骨質（cementum）三部分組成，牙齒內部含有髓腔，其中充滿牙髓。牙釉質即是我們肉眼可見、包覆在牙冠表面的一層乳白色半透明物質，厚度約2 mm，又稱為琺瑯質。這種物質主要由羥基磷灰石（Ca10(PO4)6(OH)2，HAP）組成，佔比約96%，莫氏硬度比金剛石略低，與水晶相當，是人體內最硬的天然生物材料。牙釉質是沒有感覺的活組織，保護內部的牙本質、牙髓免受外部侵害，並且在人們進食時可以輔助切碎、磨碎食物，在我們日常生活中扮演者十分重要的角色。

牙齒的構造（圖片來源：參考資料[1]）

牙釉質硬度高，但不意味著其可以一成不變地伴隨人一生。人的一生有兩副牙齒——乳牙和恆牙，恆牙長成後不再更替，牙釉質也會隨著時間的推移緩慢消耗，且作為高度礦化的生物組織不可再生。理論上講，牙釉質的主要成分HAP在口腔環境下存在如下平衡：Ca10(PO4)6(OH)210Ca2++3PO43-+OH-，進食酸性食物後，其中的H3O+可與OH-結合，推動平衡向右移動，由此導致HAP分解；甜食中的糖類物質在細菌的酵解下同樣會產生有機酸，從而加速牙釉質的損耗。此外，不正確的刷牙方式等生活習慣也會對牙釉質造成機械磨損。一旦牙釉質的防線被突破，牙本質暴露，牙齒敏感便會出現。而如果是口腔細菌引起的齲壞（蛀牙），此時已發展為中度齲齒，不經過及時治療還會進一步發展為深度齲齒，甚至出現牙髓炎、根尖周炎。

圖片來源：Pixabay

牙疼不是病，疼起來真要命……沒有一口好牙，吃貨的生活質量都在大打折扣。想來大家也應該會達成共識，生平最怕去看牙醫。牙齒治療期間，在牙科醫生看來，他對你柔情似水，而在你看來，牙齒和精神都飽受巨大的折磨。

為此，人們也一直在尋找修復牙釉質的有效手段。最近，浙江大學的唐睿康教授與劉昭明博士合作，開發了一種仿生修復牙釉質的新技術，只需要幾滴「藥水」，便可實現牙釉質的再生。這種「藥水」實際上是一種磷酸鈣離子團簇（CPIC）溶液，48小時即可讓牙釉質生長2.0-2.8 μm，並且修復層與天然組織可以很好地契合，兩者的結構、力學性能也幾乎相同。相關工作發表在《科學》子刊Science Advances上。

圖片來源：參考資料[2]

牙釉質缺損並不嚴重時，牙科醫生會建議你暫時不做補牙處理，取而代之每日使用抗敏感牙膏來緩解牙齒敏感的症狀。這類牙膏中一般含有乙酸鍶、硝酸鉀成分，乙酸鍶中的鍶可以部分代替牙本質中流失的鈣，並封閉暴露的牙本質小管，阻止其中的液體流動達到脫敏的目的；硝酸鉀則可以使暴露的牙本質小管神經末梢去極化，阻礙神經信號傳導。但這類方法只能暫時緩解疼痛，治標不治本，牙釉質依舊沒有得到修復。當其缺損較為嚴重時，醫生會選擇不同的補牙材料對牙齒進行修補。常見的材料包括銀汞合金、陶瓷、複合樹脂、玻璃離子材料等，每一種都具有不同的優勢與劣勢。補牙前一般需要「備洞」，去除齲壞病變組織的同時保證填充材料有效固定，並最大程度與牙齒天然組織契合，這便意味著不可避免地需要去除部分健康的牙體，並只適用於大面積修補。儘管如此，這些材料仍不能與天然組織完美結合，且填充後的牙齒機械強度下降，需避免咀嚼和撕咬硬物，否則可能造成填充材料脫落、牙齒劈裂等後果。

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作者詮釋了理想的牙釉質修複方案，他認為「理想的修複方法，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」。人們在牙釉質仿生再礦化的研究中也做出了許多努力，如直接溶液礦化、蛋白質/多肽誘導礦化、水凝膠驅動礦化、前體組裝等。但天然的牙釉質是通過纖維狀的納米HAP晶體首先進行緻密堆積，形成六稜柱狀釉柱，隨後進一步交叉排列形成高度有序的複雜層級結構。這些手段還無法提供媲美天然牙釉質的大面積修復結構，因而在進入臨床水平測試前便抱憾擱淺。

想要「複製」牙釉質天然組織的特性，首先需要深入理解其生長機制。此前，人們便通過先進的分析手段觀測到生物的成骨機制，不論是斑馬魚鰭骨的生長，還是珠母貝中珍珠的形成，礦物質的晶體相均是以無定形的礦物層為基礎，在此界面實現晶體的外延生長。作者認為，牙釉質的修復過程理論上與成骨過程相似，因此決定嘗試以無定形的磷酸鈣（Ca3(PO4)2·nH2O，ACP）作為仿生礦化邊界，誘導HAP晶體的外延生長。

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他們在以往的研究中便發現，大約20 nm的ACP顆粒可以吸附甚至組裝進入牙釉質HAP晶體中，但無法誘導晶體外延生長。原則上講，粒子尺寸越小越容易相互結合。0.95 nm的波斯納原子簇（Posner’s cluster）以及幾納米的磷酸鈣離子團簇（CPIC）均可作為合適的ACP及HAP基本構成單元，但這類團簇十分不穩定，短時間內便可自發聚集成核。一種可行的解決方案是使用其他添加劑穩定CPIC，但這些添加劑會殘留在體系中破壞HAP晶體的結構，降低其機械強度。

作者取得成功的關鍵在於使用三乙胺（TEA）作為添加劑。TEA不僅可以有效穩定CPIC，並且可在適當的條件下揮發，最終促使純淨的HAP晶體形成。他們將H3PO4、CaCl2·2H2O的乙醇溶液混合，加入TEA，並通過一系列表徵實驗證實了CPIC-TEA體系的穩定性。接下來，TEA隨同乙醇一起揮發，隨著體系中TEA的含量降低，ACP逐漸形成，其中並未檢測到乙醇與TEA殘留。

CPIC溶液的製備、表徵及ACP的形成（圖片來源：參考資料[2]）

他們又進一步將培養的HAP單晶結構浸入CPIC乙醇溶液中，空氣中乾燥處理後，發現在HAP單晶表面形成連續的ACP層，HAP晶體也沿著c軸方向外延生長。其中ACP層緊密無間隙地覆蓋在HAP單晶表面，暗示研究初戰告捷。

HAP單晶表面仿生礦化邊界的形成及晶體相外延生長情況（圖片來源：參考資料[2]）

作者還從醫院收集了大量的人類牙齒標本，將CPIC溶液滴在受損的牙釉質表面，並將其放入模擬口腔唾液環境的溶液中。在接下來的48小時裡，受損界面首先形成仿生礦化邊界，且完全與牙釉質本體結合，進而誘導HAP釉柱晶體沿特定的方向有序排列生長。牙釉質「長」高2.0-2.8 μm，修復後的結構與天然組織具有相同的形態結構，通過掃描電子顯微鏡（SEM）無法區分。他們也對這種修復材料的力學性能進行了測試，其硬度、彈性模量及摩擦係數與天然牙釉質幾乎相同，很好地實現了「原位修復」以及「材料、結構、力學性能三者的統一」。

人類牙齒標本表面牙釉質修復情況：藍色部分為SEM下觀察到的牙釉質本體，綠色部分為生長的修復層（圖片來源：參考資料[2]）

修復材料力學性能的測試（圖片來源：參考資料[2]）

然而不得不提醒大家，這種修復技術在問世前還需經歷動物實驗與臨床水平的測試，在此之前仍需要老老實實保護牙齒。即便投入實際使用，治療單純的牙齒敏感尚可，但不意味著可以肆無忌憚地長蛀牙。治療齲齒一定要將齲壞的部分清除乾淨方能修補，否則殘留的病變組織仍會引發繼發齲，於事無補。而牙齒一旦齲壞到牙髓，就需要進行根管治療。所謂將病變扼殺在搖籃裡，大家應在日常生活中好好保護牙齒，遠離修復材料，或許才是上策。

題圖來源：Pixabay

參考資料

[1] 黑科技 | 牙齒有缺損？兩滴藥水，「長」出牙釉質. Retrieved Sep. 5, 2019, from http://ac.zju.edu.cn/2019/0902/c16466a1614972/page.htm

[2] Changyu Shao, et al., (2019). Repair of tooth enamel by a biomimetic mineralization frontier ensuring epitaxial growth. Sci. Adv., DOI: 10.1126/sciadv.aaw9569

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