唐睿康课题组完成牙釉的仿生修复
来源：浙江大学化学系
发布时间：2011-11-02
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牙釉质是牙齿外层的半透明的矿化组织，主要起保护牙齿内部的作用，是人体中最坚硬的组织。在日常生活中，暴露在口腔环境中的牙釉在细菌或酸性物质诱发下会发生明显的脱矿反应从而造成牙釉质受损，进一步则触发了龋齿等常见口腔疾病的发生。牙釉质作为高度矿化的组织，其羟基磷灰石（HAP）成分占到了96%以上，可视为不具有活生命体系特征，受损的牙釉质不可能被人体自行修复并使牙釉质损伤成为永久性的。由于牙釉质是HAP晶体的有序组装体，材料学家和化学家一直希望用人工合成HAP的方法实现牙釉的重建。但在口腔临床中医生仍使用合金、陶瓷和高分子等非HAP材料开展牙修补治疗，其主要原因是人工合成的HAP不具有天然牙釉特有的有序结构。而该结构特征是使牙能保持完整性并拥有优异的力学强度的前提。而在临床中，非HAP材料由于和牙釉质固有的HAP具有不兼容等因素，很难达到可靠和永久修复的效果。因此，发展出一种基于HAP的修复技术对于牙修复具有重要的科学和应用价值。
通过对生物矿化的研究，科学家发现牙釉形成的早期阶段是很多纳米HAP小颗粒在成釉蛋白的调控下进行有序组装的过程。在牙齿内部，以成釉蛋白为代表的细胞分泌基质不仅能够制造出纳米HAP颗粒作为构建牙釉质的基本结构单元，而且还能让这些HAP纳米颗粒能沿着牙釉生长方向进行定向线性排列。随着牙釉质的发育成熟，这些纳米颗粒相互融合构成了高度精密的结构功能体，但控制HAP颗粒形成和组装的蛋白基质则在该过程中被逐步降解、消失。最终在成熟牙釉质中残留的少量有机物已不具有生物矿化控制能力。基于天然生物矿化仿生修复牙的关键就是如何获得这些HAP纳米结构单元并实现它们的有序组装。
我们前期的工作是制备了类牙釉质基本结构单元的HAP纳米颗粒，并利用这些颗粒和天然牙釉质之间的亲和关系实现了对牙缺陷的填补，相关工作发表在2008年Journal of Materials Chemistry上并被当年9月期Chemistry World作为进展新闻报道和评论。在此基础上，我们发现高浓度的谷氨酸（味精的主要成分）可以代替成釉蛋白功能，在牙釉质表面上控制HAP的组装并形成一种类似牙釉质的人工层。其中，谷氨酸是成釉蛋白中的含量最高的氨基酸残基，被认为是和羟基磷灰石矿化相互作用的活性位点。其组装控制基本遵循了牙釉质的形成发育过程，所得到的人工牙釉质具有和天然牙釉相同的多级精细有序结构。所得到的修复层力学特性保持良好，达到和天然牙釉相同的机械强度，体现了结构重构和功能重现。这是完全基于生物矿化原理、在氨基酸和纳米磷灰石颗粒的协同效应上发展出来的、在生理条件下实现的牙釉质人工再生研究，为牙的仿生修复提供了一种简单但有效的新策略。相关研究已经发表在Advanced Materials上（2011, 23, 4695–4701，DOI: 10.1002/adma.201102773）。
该工作由唐睿康教授带领的生物矿化研究课题组完成，第一作者是博士生李莉同学，合作单位有浙江大学附属第一医院及联合利华（上海）；研究受到浙江大学中央高校基本科研业务费、国家自然科学基金委员会、大明生物矿化研究基金和联合利华（上海）的资助。