牙科疾病是当代人共同面对的最常见的健康问题之一，所谓“牙疼不是病，疼起来要人命”。这是一句玩笑话吗？其实不然，近些年，因为牙痛引起重大疾病甚至丧命的报道数见不鲜。牙痛不及时就医，可能会发展成成颌面部多腔隙，颈部多腔隙以及纵隔感染，甚至诱发肺炎、心肌炎、败血症等等。

那么诸多牙痛病症如蛀牙、虫牙等，通常是由于牙齿外层的天然堡垒“牙釉质”被破坏而开始的。牙釉质是人体中最“强硬”的结构之一，其主要成分为羟基磷灰石（HAP），是由细长的六棱柱状的釉柱及其间质规则的排列而得到的致密结构。牙釉质中无机矿物含量高达96%，因此其缺乏生物有机基质，通俗来说就是无法再生。目前临床常见的修补方式为以复合树脂、烤瓷、陶瓷等材料进行“填充”。但该方法无法修补细小裂缝，并且修复后医生通常会建议我们避免咬合坚硬物质，因为人工再修补的“堡垒”无法与天然生长的相媲美。

那么，牙釉质真的无法再生吗？

在生物体内，骨骼、牙齿、外壳等等以无机矿物为主要成分的组织器官中，矿物以稳定的晶体形式存在。而这些结晶矿物通常由无定形非晶相的前体转化而来，并且为保证连续的外延结构，外层也通常包裹一些无定形相。那么，如果是否可以通过这个原理，以“无定形相矿物”为工具，在牙齿表面原位矿化“生长”出新的牙釉质层呢？

浙江大学的唐睿康团队给出了答案，他们使用一种新的碳酸钙离子簇（calcium phosphate ion clusters，CPICs）来建立仿生晶体-无定形矿化边界，用以诱导牙釉质的外延生长。令人振奋的是，这种方法长出的新的牙釉质层有着与修补前相同的精密结构，实现了从牙齿“修补、填补”到“再生”的飞跃。该工作以“Repair of tooth enamel by abiomimetic mineralization frontier ensuring epitaxial growth”为题发表在Science杂志的子刊，《Science Advances》上。

【CPICs溶液的制备及表征】

通过混合含磷酸、含二水合氯化钙及含三乙胺（TEA）的乙醇溶液，研究人员得到了CPICs。TEM及DLS结果显示，簇的平均直径为1.0-1.6nm。由于TEA在溶液中起稳定作用，该离子簇可以稳定存在2天左右。将HAP棒浸入CPICs溶液中可以看到，随着TEA的自然蒸发，连续的ACP层在HAP上形成。

图1 CPICs的合成和表征以及批量ACP的制造


【CPICs矿化得到ACP】

CPICs与天然牙釉质间具有良好的生物相容性，因此其可以应用于牙釉质修复上。研究人员将100微升的CPICs乙醇溶液滴在牙釉质基质上，干燥后在牙釉质表面观察到到3μ微升的连续ACP层。

图2 通过CPICs构建用于外延晶体生长的生物矿化边界。

【CPICs在牙釉质修补中的应用】

科学家们还通过CPICs制备得到了与天然牙釉相同的有序排列的棒状结构，且在修复过程中，牙釉质棒和牙间棒可同时外延生长。修复部分与原本的牙釉质部分很难分辨，这证明了牙釉质修复的成功。

图3 复制牙釉质的复杂结构

【修补所得牙釉质性能表征】

研究人员通过纳米压痕测试检验了修复部分的机械性能和微观摩擦学。经检测，其硬度约为3.19 ± 0.05 GPa，弹性模量约为84.55 ± 12.38 GPa，超过了天然牙釉质的强度。其摩擦系数（0.18 ± 0.008）也与天然牙釉质相当。

图4 牙釉质的整体修复及其机械性能

简而言之，唐老师课题组凭借多年在生物矿化领域积累的深厚经验，通过这种连续的外延构筑策略，建立了新型的牙釉质修补策略，这为构造复杂结构的生物材料提供了新的灵感和方法。

文末小编为大家贴上第二通讯作者，也是工作的主要完成者，刘昭明博士就本系列的工作讲座。刘博士细致、详细的为大家讲解工作的原理，并在与网友互动中，揭示工作幕后的故事。

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刘昭明，浙江大学化学系特聘副研究员。2009.9-2013.6和2013.9-2017.6在浙江大学化学系学习，分别获理学学士学位和理学博士学位。2017.7后在浙江大学化学系工作。主要围绕晶体生长机理、功能材料合成与应用开展研究。在无机离子寡聚体及其聚合交联方面取得了原创性突破，为无机材料合成提出“无机聚合”全新策略。以第一作者或者通讯作者身份在Nature, PNAS, Sci. Adv., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater.等期刊上发表多篇论文。相关研究成果被中国国际电视台、New Scientist等国内外知名媒体报道。

参考文献:

Shao C, Jin B, Mu Z,et al. Repair of tooth enamel by a biomimetic mineralization frontier ensuringepitaxial growth.Science Advances,2019,5,8