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嘉峪檢測網(wǎng) 2023-01-20 20:22
編者按
牙釉質(zhì)是由有序排列的羥基磷灰石納米晶體和交錯的蛋白質(zhì)基質(zhì)組成的生物組織，具有優(yōu)異的力學和美學特性。然而，當牙釉質(zhì)受損時很難自然再生，并且隨著牙釉質(zhì)損傷不斷發(fā)展，可能會累及牙髓，甚至導致牙齒脫落。牙釉質(zhì)作為最硬的生物復合材料，長期以來一直被認為是一種很有前景的承重材料。因此，了解牙釉質(zhì)形成過程和牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)基序，對于設計和工程制造具有高強度和高彈性的仿生復合材料非常重要。
中國工程院院刊《Engineering》2022年第7期刊發(fā)北京大學口腔醫(yī)學院韓冰教授研究團隊的《仿生牙釉質(zhì)材料的工程制造策略》一文。文章著眼于仿生牙釉質(zhì)材料的工程制造，從模擬牙釉質(zhì)的結(jié)構(gòu)、模擬牙釉質(zhì)的性能兩方面重點介紹了仿生牙釉質(zhì)材料合成策略的最新進展，并討論其潛在應用價值。文章指出，仿生牙釉質(zhì)材料的最終目標是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)復雜性、多功能性、可持續(xù)性和自我修復能力，未來研究方向為合成具有超過天然牙釉質(zhì)特性的仿生牙釉質(zhì)材料。
一、引言
牙釉質(zhì)位于天然牙齒的最外層，是由哺乳動物體內(nèi)最堅硬的生物復合材料構(gòu)成，具有優(yōu)異的硬度和楊氏模量（分別約為1.1~4.9 GPa和62~108 GPa，牙釉質(zhì)內(nèi)無機物含量為85 vol%），同時具有高耐磨性和抗疲勞性。這些優(yōu)越的特性使牙釉質(zhì)能夠承受較大范圍的負荷應力（約0.45~2.5 GPa），以及口腔內(nèi)的其他剪切應力，從而保護內(nèi)層牙本質(zhì)免受損傷和破壞。
然而因釉質(zhì)成熟過程中干細胞逐漸消失，牙釉質(zhì)一旦受損無法自我再生。因此，如果沒有適當?shù)母深A措施，脆弱的牙本質(zhì)和牙髓很可能會在牙釉質(zhì)缺損發(fā)生后，繼而受到損傷，最終可能導致牙齒脫落?，F(xiàn)有的傳統(tǒng)牙科修復材料（包括金屬、陶瓷和復合樹脂）由于存在美學效果不理想、修復過程損傷牙體組織和微滲漏等問題，在幾十年來的臨床實踐中仍然無法取得令人滿意的修復效果。因此，牙科修復治療中迫切需要理想的仿生牙釉質(zhì)材料。
除了牙科應用外，具有優(yōu)越性能的仿生釉質(zhì)材料長期以來在交通運輸、消費電子產(chǎn)品和建筑等領域也一直在被開發(fā)應用。在實際應用中，傳統(tǒng)合成材料難以在增強韌性的同時保持高剛度和硬度，因此限制了其性能的進一步優(yōu)化。而在自然界中，生物體內(nèi)多層結(jié)構(gòu)的演變?yōu)檠邪l(fā)新型仿生材料提供了可能性，如在天然牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)中強度和韌性的性能平衡。因此，具有與牙釉質(zhì)相似特性的材料有望在未來的醫(yī)療和其他領域應用中得到廣泛應用。
迄今為止，大量研究已經(jīng)提出了許多仿生牙釉質(zhì)的方法來模擬牙釉質(zhì)的性能。在本文中，我們討論了牙釉質(zhì)形成過程和仿生策略關注的結(jié)構(gòu)基序，并對比了這些設計概念和合成方法的優(yōu)勢、局限性以及未來前景。本文的組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1. 仿生牙釉質(zhì)合成策略示意圖。（a）模擬牙釉質(zhì)的結(jié)構(gòu)；（b）模擬牙釉質(zhì)的功能。
二、牙釉質(zhì)——結(jié)構(gòu)與功能
天然牙釉質(zhì)的形成包括分泌階段和成熟階段，跨越從微觀到宏觀的多個維度。在分泌階段，成釉細胞伸長，遠端伸展為托姆斯突（Tomes’ process）。一旦細胞相互對齊，成熟的成釉細胞就開始通過托姆斯突分泌蛋白質(zhì)，尤其是釉原蛋白。這些蛋白質(zhì)基質(zhì)能夠誘導磷酸鈣的成核、羥基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2, hydroxyapatite, HAP]晶體的組裝以及引導其自身被礦物質(zhì)替代。每個成釉細胞最終會形成一個釉柱（直徑約5 µm），從釉牙本質(zhì)界（dentino-enamel junction, DEJ）延伸到牙釉質(zhì)表面。在成熟階段，大部分的有機基質(zhì)被礦物質(zhì)所替代，無機物的體積占比急劇增加（從10%~20%到80%~90%）。牙釉質(zhì)的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。
在微觀尺度上，牙釉質(zhì)主要由包含數(shù)千個納米晶體的釉柱和柱間質(zhì)構(gòu)成，它們平行于磷灰石晶體c軸排列。釉柱和柱間質(zhì)之間被富含蛋白質(zhì)的有機層占據(jù)，稱為“釉柱鞘”（rod sheath）。釉柱的排列和方向從牙釉質(zhì)表面到釉牙本質(zhì)界（DEJ）處有所不同[圖2（b）、（e）]。在釉質(zhì)的約外三分之一，釉柱的排列方向大部分是平行的，該區(qū)域的橫截面顯示出直徑約為3~5 µm的“鑰匙孔”排列結(jié)構(gòu)[圖2（c）、（f）]。在釉質(zhì)的較深層部分，釉柱交叉纏繞在一起，成為絞釉。在遠離釉質(zhì)表面的絞釉處，釉柱以更垂直的排列方式朝向DEJ排列。除了釉柱外，在釉質(zhì)表面還有一層薄薄的無釉柱釉質(zhì)層，其中含有無序的HAP微晶。
圖2. 牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖。（a）人類牙齒結(jié)構(gòu)的示意圖；（b）釉牙本質(zhì)界（DEJ）到牙釉質(zhì)表面的方向示意圖；（c）鑰匙孔結(jié)構(gòu)示意圖；（d）人類牙齒的光學照片影像；（e）釉柱在反射圓偏振光中的方向；（f）鑰匙孔結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopy, SEM）圖像。
總之，牙釉質(zhì)優(yōu)異的力學性能主要歸功于無機礦物質(zhì)成分、晶體結(jié)構(gòu)和生物有機成分。研究普遍認為，主要礦物相（95 wt%~96 wt%）對牙釉質(zhì)的強度至關重要。實驗證實脫礦牙釉質(zhì)的硬度（約1 GPa）和彈性模量（約70 GPa）都較低。針對釉質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的研究顯示，牙釉質(zhì)的硬度和彈性模量從DEJ（硬度小于3 GPa和彈性模量小于70 GPa）到牙釉質(zhì)表面都不斷增加（硬度大于6 GPa和彈性模量大于115 GPa）。此外，研究發(fā)現(xiàn)，牙釉質(zhì)的晶體排列通常從DEJ到牙尖逐漸更加有序，這使得釉質(zhì)最外層的咬合面能夠承受最大的咀嚼力。此外，研究觀察到牙齒功能尖的晶體結(jié)構(gòu)更緊密、晶體排列更有序垂直于表面，因此具有更高的承受負荷能力。同時，晶體結(jié)構(gòu)的各向異性和釉質(zhì)內(nèi)的有機成分是釉質(zhì)高韌性的主要成因。結(jié)構(gòu)各向異性能夠?qū)鲗е裂辣举|(zhì)，從而抵抗裂縫造成的釉質(zhì)損傷，HAP微晶之間的黏彈性蛋白膜則分散負荷以避免釉質(zhì)的斷裂。
一般來說，牙釉質(zhì)分層結(jié)構(gòu)基序融合了多尺度下的硬質(zhì)和相對軟質(zhì)的成分，這對于牙釉質(zhì)的力學性能和功能行為至關重要。受這些結(jié)構(gòu)基序原則和功能基礎的啟發(fā)，近年來越來越多的研究報道了各種仿生牙釉質(zhì)材料的合成策略。
三、仿生牙釉質(zhì)材料的合成策略
目前研究可以通過兩種主要策略來合成與牙釉質(zhì)性能匹配的材料。通過模仿復雜的釉質(zhì)結(jié)構(gòu)可以使復合材料實現(xiàn)類似牙釉質(zhì)的性能，包括全牙再生工程、物理化學合成方法和生物化學牙釉質(zhì)工程等方法。此外，還可以通過調(diào)整不同合成復合材料的性質(zhì)來間接實現(xiàn)與牙釉質(zhì)匹配的性能，如珍珠層狀復合材料和類表皮樣結(jié)構(gòu)材料。在本節(jié)中，我們綜述了近年來用于仿生牙釉質(zhì)材料的合成方法、成分、技術、優(yōu)勢和局限性。
（一）模擬牙釉質(zhì)的結(jié)構(gòu)
1. 全牙再生工程
基于組織特異的干細胞、適當?shù)闹Ъ懿牧弦约罢T導細胞生長和分化的細胞因子的組織工程技術已實現(xiàn)多種器官的再生，從而推進了其臨床應用。針對牙釉質(zhì)的再生，成釉細胞作為分泌礦化相關蛋白以調(diào)控上述牙釉質(zhì)礦化過程的關鍵細胞，被認為是最有潛力的干細胞之一。因此，研究曾一度集中于探索可獲得的、操作簡便的成釉細胞樣干細胞系以直接誘導釉質(zhì)樣晶體的成核和生長。盡管這些研究已經(jīng)實現(xiàn)了一部分成釉細胞的特性，但尚無研究實現(xiàn)在體外形成釉質(zhì)樣結(jié)構(gòu)。因此，研究轉(zhuǎn)向由牙胚中干細胞啟動的環(huán)境誘導作用。
自然牙齒形成過程是從早期的上皮與間充質(zhì)誘導相互作用開始的，干細胞在隨后的階段繼續(xù)生長和分化。因此，全牙組織再生研究致力于通過模仿天然釉質(zhì)發(fā)生初期的環(huán)境誘導過程來模仿天然牙胚的發(fā)育過程。經(jīng)過幾十年努力，一種無血清、化學成分明確的培養(yǎng)基被廣泛用于帽狀期體外小鼠牙胚的培養(yǎng)，但依然難以獲得哪怕是薄層的牙釉質(zhì)。Nakao等在2007年報道，將分離后的小鼠牙胚的上皮細胞和間充質(zhì)細胞重組，在體外和體內(nèi)實驗中都獲得了完整的再生全牙。他們的文章證實了全牙再生工程的研究基礎，并提供了可選的干細胞來源。
研究表明利用牙齒形成早期階段的自然信號級聯(lián)，成年的上皮和間充質(zhì)細胞也可以響應牙源性誘導信號并形成牙齒。2004年，Ohazama等首次將誘導期牙源上皮和成人骨髓基質(zhì)細胞重組以刺激成牙反應。在被轉(zhuǎn)移到成年環(huán)境（成年小鼠的腎囊和上頜骨）后，這些重組牙胚發(fā)育成了與第一磨牙相似的異位牙冠。而在成人體內(nèi)，人牙齦上皮細胞已顯示出體外擴增和對小鼠牙胚間充質(zhì)細胞刺激反應的能力。人造牙胚在轉(zhuǎn)移到腎包膜后形成了多個類似牙齒的結(jié)構(gòu)。盡管全牙再生策略可以再生發(fā)育良好的牙根和包含釉質(zhì)在內(nèi)的牙冠，但從釉柱到牙周韌帶纖維的整個牙齒的特征性復雜微觀結(jié)構(gòu)仍然難以實現(xiàn)。
考慮到這些研究中的大多數(shù)都使用了小鼠模型，醫(yī)學應用的進一步證據(jù)需要大型動物模型的實驗數(shù)據(jù)。2017年，One等報道了將重組的生物工程牙胚自體移植犬模型后成功再生全牙的過程，如圖3所示。生物工程重組牙齒顯示出正確的超微結(jié)構(gòu)，以釉柱為例，其成分（Ca/P = 2.05）與天然牙齒（Ca/P = 1.95）相似。在正畸力的作用下，生物工程重組全牙的牙周韌帶可以引導牙齒移動而不發(fā)生根骨粘連，這類似于天然牙齒的生理功能。
從理論上講，全牙再生工程是仿生牙釉質(zhì)的最終目標，并且對牙齒缺失的修復具有很大的應用前景；然而該策略距離真正的醫(yī)學實現(xiàn)尚遠。除了尚不清楚牙胚發(fā)育的調(diào)節(jié)機制外，全牙再生低成功率以及有限的再生牙數(shù)和再生牙形態(tài)都限制了其在醫(yī)學方面的應用。此外，牙胚中的干細胞在體外擴增后即失去了成牙潛力。根據(jù)細胞密度促進分化的理論，基于牙胚內(nèi)干細胞的“群落效應”，三維（3D）培養(yǎng)系統(tǒng)的進一步發(fā)展可能揭示其分化調(diào)控機制。
圖3. 生物工程重組再生牙齒的形態(tài)和生成過程。（a）全牙再生示意圖；（b）無牙胚移植組、天然牙胚移植組和重組牙胚移植組的影像；（c）無牙胚移植組、天然牙胚移植組和重組牙胚移植組的顯微計算機斷層掃描（micro-CT）圖像和組織學分析。E：牙釉質(zhì)；D：牙本質(zhì)；C：牙骨質(zhì)；PDL：牙周韌帶；AB：牙槽骨；HE：蘇木精-伊紅。
2. 物理化學仿生策略
使用HAP納米晶體修復和再礦化牙釉質(zhì)已成功合成類牙釉質(zhì)樣結(jié)構(gòu)，但仍然難以獲得可實際應用的有序礦化HAP晶體結(jié)構(gòu)。受釉質(zhì)結(jié)構(gòu)啟發(fā)，采用其他不同包含有機相和無機相的材料可以制造柱狀分層結(jié)構(gòu)，被稱為“非生物釉質(zhì)”，具有與天然釉質(zhì)匹配的特性。
（1）釉質(zhì)狀結(jié)構(gòu)的原位生長
①磷酸鈣離子簇誘導合成。早期的研究采用傳統(tǒng)的物理方法合成HAP，如表面活性劑輔助礦化、螯合劑水熱法礦化、模擬體液浸泡礦化等方法，以合成牙釉質(zhì)樣結(jié)構(gòu)。然而，受限于極端的合成條件、有毒的添加劑、合成的晶體呈片狀以及對牙釉質(zhì)的附著力較差，這些方法通常被改良為其他合成方法中的部分基礎步驟。
HAP和無定形磷酸鈣（Ca3(PO4)2·nH2O, ACP）的主要生長單元之一是磷酸鈣離子簇（calcium phosphate ion cluster, CPIC）。得益于CPIC的分離，Yamagishi等和Onuma等開發(fā)了一種白色氟化結(jié)晶糊劑，可在釉質(zhì)受損部位無縫生長HAP納米晶體，形成一層薄的釉質(zhì)狀層（15 min內(nèi)可合成20~30 μm厚）。然而，該酸性的糊劑和高濃度的過氧化氫可能會導致牙齦發(fā)炎。此外，眾所周知生物礦化的礦化前沿依賴于結(jié)晶與非晶界面，Shao等受此啟發(fā)采用一種新型的CPIC，模仿礦化邊界，通過外延生長修復受損的牙釉質(zhì)[圖4（a）]。修復層的力學性能與天然牙釉質(zhì)相似，甚至稍高（硬度為3.84 GPa±0.20 GPa，彈性模量為87.26 GPa±3.73 GPa）。仿生牙釉質(zhì)的摩擦系數(shù)（0.18±0.008）表明其耐磨性與天然牙釉質(zhì)相近。然而，修復層的厚度被限制在2.8 μm。
圖4. 使用CPIC（a）和無定形ZrO2（b）合成的釉質(zhì)樣結(jié)構(gòu)的原位再生過程和形態(tài)表征。TEM：透射電子顯微鏡；R：釉柱；IR：柱間質(zhì)；HA：羥基磷灰石。
②非晶陶瓷的濕化學合成。目前大多數(shù)原位釉質(zhì)再礦化技術研究面臨的挑戰(zhàn)是合成足夠厚的仿生牙釉質(zhì)，以用于實際材料生產(chǎn)，同時它們的界面連接通常較弱。因此，有研究轉(zhuǎn)向HAP納米柱之間的非晶相。通過原位濕化學合成策略，Wei等實現(xiàn)了在牙釉質(zhì)上合成非晶相容的ZrO2陶瓷修復層（厚度約為400 nm）[圖4（b）]，其力學性能與天然牙釉質(zhì)相當（楊氏模量約為82.5 GPa，硬度約為5.2 GPa）。修復層對表面的細菌黏附和增殖具有很高的抵抗力，并通過強化學連接修復層和基底釉質(zhì)之間的界面增強了對咀嚼力損傷的抵抗能力。然而，ZrO2陶瓷層僅模擬了HAP納米柱之間的晶間相，而不是模擬了釉質(zhì)的整體分層結(jié)構(gòu)，同時修復層的厚度仍然有限。
2. 從頭合成類牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)
①HAP晶體組裝。在天然牙釉質(zhì)的自然形成過程中，HAP晶體受到蛋白質(zhì)基質(zhì)和細胞的誘導自組裝，形成多尺度排列有序的結(jié)構(gòu)。受此過程的啟發(fā)，研究成功開發(fā)了多種促進HAP晶體成核和沉積的方法。Zou等報道了一種直接從三斜磷鈣石（CaHPO4）轉(zhuǎn)化為釉質(zhì)狀HAP的合成方法。在微波加熱輔助的堿溶液中，水解的CaHPO4晶格作為HAP成核的模板。合成的HAP晶體束（直徑約250 nm，長度大于1 µm）類似牙釉質(zhì)晶體方向平行排列。然而，合成晶體的大小和仿生釉狀層的厚度仍與天然釉質(zhì)內(nèi)的磷灰石不同。
為了合成有一定厚度、高度有序排列的HAP納米晶體，研究人員最近開發(fā)了具有高縱橫比（大于10 000）的自組裝超長納米線狀HAP。經(jīng)過可控的注射過程，這些高度定向的HAP納米線在油酸鈉的輔助下構(gòu)建了三維棱柱狀結(jié)構(gòu)。然而，合成的HAP結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的力學性能（以楊氏模量為例，約為13.6 GPa）與牙釉質(zhì)相差甚遠，即使通過牙科樹脂的滲透增強也是如此。盡管這種方法證實了合成HAP的自組裝能力及其在3D打印技術中的潛力，但迄今為止的結(jié)果表明合成產(chǎn)物性能并不理想，因此合成HAP晶體組裝并不是從頭合成非生物牙釉質(zhì)的最佳選擇。
②逐層沉積技術。逐層沉積（layer by layer, LBL）技術是一種重復的沉積技術。首先在底板材料上形成帶電單層，吸引帶相反電荷的材料在其表面上沉積為第一層，以此類推，不斷吸引相反電荷沉積為新層，最終形成多層結(jié)構(gòu)。通過LBL技術，利用豐富且廉價的原料可以制備出黏土/聚合物多層納米復合材料。該類納米復合材料表現(xiàn)出非凡的特性，因此研究人員一直對這項技術感興趣。Yeom等報道了通過水熱法，利用ZnO納米線和聚電解質(zhì)基質(zhì)LBL沉積成功制備出(ZnO/LBL)n非生物牙釉質(zhì)。這種復合材料表現(xiàn)出與天然釉質(zhì)匹配的黏彈性指數(shù)（viscoelastic figures of merit, VFOM）（0.7~0.9）和重量調(diào)整VFOM（大于0.8），超出了傳統(tǒng)材料的性能限制。此外，該技術所利用的材料豐富且廉價，具有顯著可實際應用的優(yōu)勢。
③3D打印技術。梯度陶瓷聚合物復合材料（graded ceramic-polymer composite）的3D打印為平行柱狀排列的陶瓷應用奠定了基礎，該平行柱狀排列方式與牙釉質(zhì)中的釉柱結(jié)構(gòu)相似。Feilden等通過計算機控制噴嘴擠出材料過程中氧化鋁薄片（直徑約5 µm）的排列方向，得以構(gòu)建由軟相滲透的分層陶瓷支架結(jié)構(gòu)（圖5）。盡管這項研究并非受到天然牙釉質(zhì)的啟發(fā)，但復合材料中納米片的排列與牙釉質(zhì)的結(jié)構(gòu)設計基序基本一致。材料的力學性能也根據(jù)氧化鋁納米片的排列而變化。纖維橫斷面取向顯示出最高的抗彎強度[(202±10) MPa]、抗壓強度（452 MPa）和斷裂韌性[(3.0±0.3) MPa·m1/2]。仿生的Bouligand型結(jié)構(gòu)，類似于絞釉，通過提高韌性和抗性（阻力曲線）為裂紋擴展提供了引導。所得復合材料還顯示出高楊氏模量[(99.1±0.6) GPa]。這些韌性增強的復合材料同時擁有高強度，成為各種應用的潛在候選材料，如在航空航天和汽車領域。對于牙科應用而言，更高分辨率的材料微結(jié)構(gòu)與牙釉質(zhì)的匹配至關重要，而目前技術精度尚無法滿足這一要求。
圖5. 通過3D打印合成的梯度陶瓷聚合物復合材料的形貌。（a）~（c）三種結(jié)構(gòu)的示意圖（分別為垂直于纖維方向結(jié)構(gòu)、平行于纖維方向結(jié)構(gòu)和Bouligand結(jié)構(gòu)）；（d）~（f）三種結(jié)構(gòu)相應斷裂面方向的SEM圖像。
3. 生物化學工程仿生策略
蛋白質(zhì)在牙釉質(zhì)礦化的無機相沉淀過程中起關鍵作用。釉質(zhì)蛋白主要由釉原蛋白、釉蛋白和成釉蛋白組成，對磷酸鈣的自然成核和HAP晶體的有序組裝至關重要。作為主要蛋白質(zhì)（體積分數(shù)大于90%），釉原蛋白可起到引導磷灰石晶體和穩(wěn)定無定形磷酸鈣的重要作用。因此，許多由釉原蛋白或其類似物輔助來控制生物礦化過程的方法已被用于仿生牙釉質(zhì)樣結(jié)構(gòu)。
凝膠狀富含釉原蛋白的基質(zhì)在牙釉質(zhì)形成初始階段提供獨特的有機無機相互作用。為了模擬牙釉質(zhì)的凝膠狀基質(zhì)，研究已經(jīng)開發(fā)和改良了各種水凝膠礦化模型。然而如果沒有釉原蛋白及其類似物，所得晶體層與天然牙釉質(zhì)非常不同。研究報道了一種含釉原蛋白的殼聚糖（amelogenin-containing chitosan, CS-AMEL）水凝膠系統(tǒng)，其中，Ca-P簇由釉原蛋白穩(wěn)定和引導，復合鏈融合并演變成對齊的磷灰石納米晶體（厚度約為15~30 μm）直接連接在牙釉質(zhì)表面。隨著基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase-20, MMP-20）的摻入，釉原蛋白逐漸降解，從而防止蛋白質(zhì)阻塞遮擋無機相，仿生牙釉質(zhì)層表現(xiàn)出更均勻的取向、更高的模量和硬度（與不含MMP-20的水凝膠相比，彈性模量增加1.8倍，彈性模量增加2.4倍）。
考慮到釉原蛋白的表達和純化較為困難，有研究開始探索可以替代這種昂貴蛋白質(zhì)的替代分子。全長釉原蛋白的C端結(jié)構(gòu)域已被認為是牙釉質(zhì)礦物質(zhì)正常形成所必需的，其類似物，如富含亮氨酸的選擇性剪接釉原蛋白肽（leucine-rich alternative splicing amelogenin peptide, LRAP）和含有釉原蛋白C端的合成寡肽兩親物，都可以促進牙釉質(zhì)的再礦化。據(jù)2017年的研究報道，LRAP選擇性地促進針狀晶體沿c軸排列。然而無論是這種方法還是其他使用含有釉原蛋白C端的替代分子的方法仍然受到合成晶體束厚度（約2 µm）的限制。
據(jù)報道，釉原蛋白和其他酸性牙釉質(zhì)蛋白在與無定形磷酸鈣（ACP）相互作用后，會從無序的結(jié)構(gòu)卷曲折疊成有序的β折疊結(jié)構(gòu)。因此，有研究嘗試通過替代分子模仿牙釉質(zhì)形成過程中蛋白質(zhì)的無序-有序相互作用來合成類牙釉質(zhì)，其中包含自組裝β折疊肽、類彈性蛋白和固有無序蛋白（intrinsically disordered protein, IDP）。這些研究中的合成產(chǎn)物大多數(shù)都受到類牙釉質(zhì)層厚度（約1 µm）的限制。然而，隨著在近生理條件下對IDP的探索，Elsharkawy和Al-Jawad合成了可調(diào)的分級有序氟磷灰石[Ca5(PO4)3F, FAP]晶體結(jié)構(gòu)（長度和高度為數(shù)十微米），其表現(xiàn)出與牙釉質(zhì)匹配的耐酸性和耐酶解性（圖6）。但是該人造晶體的硬度[硬度值為(1.1±0.8) GPa，彈性模量為(33.0±20.1) GPa]僅為天然牙釉質(zhì)的一半。
為了追求更厚的HAP修復層，樹枝狀聚合物作為釉原蛋白的另一種類似物，可以引導晶體成核并為HAP的礦化提供模板。特別是，類似于釉原蛋白的超分子組裝的聚酰胺-胺型樹枝狀大分子（PAMAM）能夠調(diào)節(jié)HAP的大小和形狀。通過不同官能團的修飾和幾代樹枝狀大分子的改良，Li等合成了以磷酸為末端的PAMAM（PAMAM-PO3H2），實現(xiàn)再生釉柱狀HAP層（三周內(nèi)厚度達到11.23 μm），其顯微硬度達天然釉質(zhì)的97%，黏附力達到50 N。此外，與其他體外生物化學方法相比，體內(nèi)再生（厚6.63 μm）實驗證明PAMAM-PO3H2在人牙釉質(zhì)修復方面具有巨大潛力。
除了釉原蛋白之外，還有一些研究開發(fā)了一些其他礦化相關分子的類似物來促進牙釉質(zhì)再礦化，如天冬氨酸-絲氨酸-絲氨酸肽和聚多巴胺，然而這些方法均受到類牙釉質(zhì)層的厚度限制。
圖6. 應用IDP合成的分級有序FAP晶體結(jié)構(gòu)的制造過程和形態(tài)。（a）形成機制的示意圖；（b）分級有序的FAP晶體結(jié)構(gòu)的SEM圖像。ELR：彈性蛋白樣重組體；CaP：磷酸鈣。
（二）模擬牙釉質(zhì)的性能
1. 冷凍鑄造技術
在力學性能方面，理想的釉質(zhì)替代材料應該具有足夠的硬度、剛度和強度以實現(xiàn)抵抗損傷和良好耐久性。在各種材料中，陶瓷和陶瓷基復合材料都是有潛力的候選材料。然而，它們比天然牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)更硬[例如，氧化釔穩(wěn)定的四方氧化鋯多晶（Y-TZP）的硬度約為12 GPa，比天然牙釉質(zhì)硬約4倍]，同時損傷耐受性較差，很容易破損。冷凍鑄造是一種用于制造類珍珠層狀復合材料的技術。Tan等研究通過雙向冷凍鑄造技術制造出多孔支架，配合牙科樹脂浸潤（圖7）得到類珍珠層結(jié)構(gòu)復合材料，顯示出與人類牙釉質(zhì)類似的楊氏模量（42 GPa ± 4 GPa）、硬度、剛度和強度，此外，該材料還表現(xiàn)出高水平的韌性（J積分斷裂韌性約為1.7 kJ·m-2和ASTM有效的裂紋擴展韌性約為9.6 MPa·m1/2），這對牙科應用具有重要意義。
如前所述，冷凍鑄造技術還可以作為其他技術的基礎，例如，磁輔助粉漿鑄造以生成類似珍珠層的復合材料。然而到目前為止，以這種方式制造的復合材料的力學性能與牙釉質(zhì)的性能仍然有很大不同。
圖7. 具有與天然牙釉質(zhì)匹配性能的復合材料的合成示意圖（a）、微觀結(jié)構(gòu)示意圖[（b）、（c）]和硬度和剛度（d）。
2. 混合LBL組裝技術
無機晶體與周圍蛋白質(zhì)之間具有明顯的力學特性差異，天然牙釉質(zhì)沒有自我修復能力，一旦受損就很難愈合。為避免在合成自修復材料時降低天然牙釉質(zhì)的力學性能，目標策略應實現(xiàn)不同的成分良好匹配，成分間無縫整合。受人類皮膚的啟發(fā)，研究人員使用氧化石墨烯（graphene oxide, GO）和聚合物通過混合LBL組裝技術合成復合材料。線性LBL薄膜層中高含量的GO納米片為復合材料提供了優(yōu)異的屏障和力學性能。這種沉積在相對較軟的LBL膜之上的較硬屏障層產(chǎn)生了類似表皮的分層復合材料?？煽氐木酆衔飫恿W通過聚合物提供的軟墊促進外界應力在層間擴散，而硬層作為密封屏障實現(xiàn)自我修復。這種智能涂層降低了嚴重破壞率和維護費用，同時還保持了接近牙釉質(zhì)的高硬度（硬度值為2.27±0.09 GPa，彈性模量為31.4±1.8 GPa），高于迄今為止其他任何自修復合成薄膜材料。這種材料在醫(yī)療保健和消費電子產(chǎn)品等多種應用中都很實用。
表1列出了以上各種策略的相關研究。
表1 仿生牙釉質(zhì)材料合成策略的研究摘要
COF: coefficient of friction; R-curves: resistance curves.a 1 gf = 0.0098 N.
四、應用前景展望
理論上HAP生物礦化策略是合成仿生釉質(zhì)材料的一種有效的方法，但實際上合成類釉質(zhì)磷灰石（包括HAP和FAP）結(jié)構(gòu)目前仍然不適合實際應用。盡管全牙再生已被證明是成功的，但如上所述，其機制仍然極其模糊、復雜，再生過程難以控制。此外，合成仿生牙釉質(zhì)的物理化學和生物化學方法仍然存在如下問題：
①類牙釉質(zhì)層的厚度有限，除修復早期齲外，無法應用于實際。
②盡管研究已開發(fā)多種方法合成相對較厚的類牙釉質(zhì)層，但大多數(shù)方法都表現(xiàn)出有限的結(jié)構(gòu)精度，與具有多尺度的獨特有序分層結(jié)構(gòu)的天然牙釉質(zhì)相差甚遠。
③目前仍沒有合成產(chǎn)物的性能可以達到匹配牙釉質(zhì)完整的力學性能和增強的多功能性。
④修復層類牙釉質(zhì)通常只生長在經(jīng)處理的天然牙釉質(zhì)表面，這似乎是口腔內(nèi)牙釉質(zhì)修復的一個實用優(yōu)勢。然而，這些方法中的大多數(shù)涉及緩慢的生物礦化過程，降低了它們在原位修復應用中的潛力。同時它們修復的厚度有限，因此這些方法無法用于體外工程制造仿生材料。
⑤最后，牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)的有限模擬是所有方法普遍存在的問題，大多數(shù)方法不是模擬牙釉質(zhì)的整個層次結(jié)構(gòu)，而是僅模仿牙釉質(zhì)的一小部分，如仿生平行釉柱或者絞釉。盡管這些方法已被用于合成高度有序的納米顆粒、納米膠囊、薄膜和碳納米結(jié)構(gòu)，但這些方法在多大程度上可以模擬牙釉質(zhì)仍不清楚。因此，通過這些方法生產(chǎn)的材料還無法替代傳統(tǒng)材料。
采用其他多樣成分的牙釉質(zhì)仿生策略通常利用不同的高度有序排列的結(jié)構(gòu)設計（類似于或不同于天然牙釉質(zhì)）來實現(xiàn)牙釉質(zhì)匹配特性。由此產(chǎn)生的非生物復合材料為各個領域開發(fā)理想材料開辟了一條新途徑。對于牙科材料應用而言，必須考慮此類復合材料的生物相容性、化學穩(wěn)定性和表面性能等。因此，應用生物相容性陶瓷和陶瓷基復合材料較為便捷。隨著計算機輔助設計和制造技術（computer-aided design and manufacturing, CAD/CAM）的發(fā)展，這些材料可能成為牙科修復的候選材料。這些方法普遍被認為具有令人滿意的工業(yè)應用潛力，如在電子、交通和建筑領域等。首先，這些方法解決了仿生牙釉質(zhì)材料厚度有限的問題，可以批量工程制造，這是工程材料實際應用的先決條件。其次，大多數(shù)非HAP成分合成方法在不影響高韌性的情況下實現(xiàn)了更高的硬度、剛度、楊氏模量和強度，因此具有與天然牙釉質(zhì)相似的性能，明顯超過傳統(tǒng)材料的性能。此外，它們的獨特特性（如高VFOM性、裂紋擴展引導性和自愈能力）使其在多個特定領域具有實用性。第三，經(jīng)濟成本因素被認為與力學性能一樣重要，因此采用成分豐富且廉價的方法更受青睞。
未來的研究發(fā)展可能集中在合成具有超過天然牙釉質(zhì)特性的仿生牙釉質(zhì)材料。例如，耐高溫材料可以在極端環(huán)境下應用。從更廣義的角度來看，仿生牙釉質(zhì)材料的最終目標是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)復雜性、多功能性、可持續(xù)性和自我修復能力。盡管牙釉質(zhì)的礦化和相關的機械過程仍不清楚，目前提出的理論仍存在爭議，但對天然牙釉質(zhì)的探索和模仿將在仿生牙釉質(zhì)材料領域不斷產(chǎn)生新的進展。
來源：中國工程院院刊
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