物理化學(xué)方法合成類牙釉質(zhì)材料的研究進展

張凌云 孫倩男 張云帆 彭麗穎 呂汶諠 余婷婷 韓 冰

一、牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)及其性能分析

牙釉質(zhì)具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，主要由約1～2mm厚的羥基磷灰石晶體組成[1]。在過飽和離子環(huán)境下，蛋白質(zhì)之間和蛋白質(zhì)與礦物質(zhì)之間相互作用產(chǎn)生了優(yōu)先沿C軸生長的高度有序的羥基磷灰石晶體束[2]，約30nm厚，60nm寬[3]（由于成像局限性，文獻間數(shù)據(jù)差異大：如，另有文獻說橫截面大致為矩形[4]，平均寬度為68nm，平均厚度為26nm[5]。）。這些微晶的大小取決于其礦化的階段：在分泌階段晶體主要增加長度，在成熟階段繼續(xù)增加寬度和厚度。這些微晶進一步經(jīng)有機分子組裝成兩種主要結(jié)構(gòu)：釉柱和柱間質(zhì)。釉柱是由線性排列的細長微晶束組成的結(jié)構(gòu)，橫截面為直徑約3～5μm的“鑰匙孔形”。釉柱之間彼此交叉纏繞[6]，近表面1/3較直，內(nèi)2/3彎曲，因此釉柱的實際長度大于相應(yīng)部位釉質(zhì)的厚度[7]。在某些區(qū)域，釉柱還可以扭曲在一起或輕微改變方向[8]，這些增強結(jié)構(gòu)得以承受負荷并通過裂縫偏轉(zhuǎn)抵抗損傷[9]。釉柱由富含蛋白質(zhì)的薄鞘狀釉質(zhì)包裹，稱為柱間質(zhì)，其排列方向垂直于釉牙本質(zhì)界，這些釉質(zhì)結(jié)構(gòu)中的有機成分被認為是牙齒韌性的本質(zhì)來源。我們可通過羥基磷灰石晶體的方向區(qū)分釉柱和柱間質(zhì)。此外，無釉柱釉質(zhì)指的是看不到釉柱結(jié)構(gòu)，但電鏡下可見晶體相互平行排列的釉質(zhì)。這種結(jié)構(gòu)主要存在于牙齒切端和牙合面的釉質(zhì)[10]，近年來研究證明其在釉質(zhì)結(jié)構(gòu)性能中也發(fā)揮重要作用。

牙齒在行使功能時需要承受極大的撞擊力和剪切力，最外層的釉質(zhì)能夠在生理承受范圍內(nèi)保護牙齒不受破壞。雖然牙釉質(zhì)張力強度較小，理論上易碎裂，但其具有較高的彈性系數(shù)和韌性足以彌補。研究顯示牙合面牙釉質(zhì)具有比橫截面更高的彈性模量，并且測量的樣品面積越小則彈性模量越大，同時柱間質(zhì)的硬度和彈性模量比釉柱的硬度和彈性模量低很多[11]，這些變化反映了釉質(zhì)的各向異性特性[12]。針對牙釉質(zhì)的各向異性特性，人們提出了正交各向異性復(fù)合模型[12，13]、有限元模型[14]、納米壓痕測量[13]等理論和方法，闡明牙釉質(zhì)的彈性模量與接觸應(yīng)力場的有效體積和接觸面積之間的函數(shù)關(guān)系：隨著接觸區(qū)域或接觸深度的擴大，更多的有機組織被引入應(yīng)力反應(yīng)區(qū)域，因此整個系統(tǒng)的晶體體積分數(shù)減小[12]。此外，牙釉質(zhì)的抗折性也受微觀結(jié)構(gòu)的控制，如釉柱的各向異性取向和有機成分含量。由于牙釉質(zhì)礦物質(zhì)含量高，有機物含量低，所以釉質(zhì)理論上來講質(zhì)脆，但釉質(zhì)斷裂韌性優(yōu)異。釉柱的取向可以在產(chǎn)生裂縫時偏轉(zhuǎn)其方向以防止裂縫延伸到釉牙本質(zhì)界[15，16]。同時，牙釉質(zhì)的高韌性也可以通過正交各向異性復(fù)合模型來解釋，研究證明牙釉質(zhì)韌性大約是地質(zhì)羥基磷灰石的三倍[17]。最新研究發(fā)現(xiàn)，HA納米棒之間的無定形晶間相各向同性[18]、內(nèi)部有極少的晶界和位錯[19，20]以及豐富的活性位點[21]，也為釉質(zhì)優(yōu)異的機械性能做出貢獻[22]。由于釉質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)和有機組分的存在，在釉質(zhì)行使功能過程中集中的應(yīng)力被大大削弱?？偟膩碚f，其高羥基磷灰石含量、復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)及其特殊的排列方式?jīng)Q定了釉質(zhì)突出的生物力學(xué)性能。

牙釉質(zhì)具有如此獨特的組織結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的美觀及生物力學(xué)性能，但遺憾的是破壞的牙釉質(zhì)是不可再生的，牙體缺損只能用人工材料修復(fù)。然而目前釉質(zhì)修復(fù)材料的發(fā)展依然無法滿足臨床的需求。金屬硬度與釉質(zhì)相似、邊緣強度高、變形小，但美觀性能較差、部分金屬影響影像學(xué)檢查且少數(shù)病例過敏。陶瓷美觀、半透明度與牙釉質(zhì)相似、生物相容性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、但材料硬度過大易損傷對頜牙和鄰牙，韌性不足容易崩瓷或折裂等等。此外金屬和陶瓷共同缺陷在于修復(fù)前需要磨除部分健康牙體組織以獲得固位和抗力。而樹脂需要預(yù)備的牙體組織量最小、美觀性能優(yōu)異、臨床操作簡單，但聚合收縮導(dǎo)致繼發(fā)齲仍是難題、老化著色影響美觀、同時樹脂耐磨性不盡人意。多年來人們致力于仿生天然牙釉質(zhì)，以獲得類似牙釉質(zhì)的硬度、韌性等力學(xué)性能同時兼?zhèn)鋬?yōu)異的色澤、透明度等美觀性能、良好的界面結(jié)合性能以及生物相容性。盡管進展不斷，類釉質(zhì)材料已在臨床上得到應(yīng)用，但目前實現(xiàn)應(yīng)用的類釉質(zhì)材料結(jié)構(gòu)非常簡單。其中以仿生陶瓷為代表的具有仿生概念的陶瓷，僅在一定程度改善了材料的力學(xué)性能，它們的結(jié)構(gòu)精度仍與天然牙釉質(zhì)存在較大差異[23，24]。故目前類牙釉質(zhì)材料的主要缺點在于，我們并未能切實將理想的材料性能實現(xiàn)在臨床實踐應(yīng)用中?；诩毎緩降纳锕こ痰姆椒y以突破，原因在于相關(guān)細胞的高度分化狀態(tài)以及釉質(zhì)高度復(fù)雜的生物材料特性。從蛋白質(zhì)基質(zhì)方向入手的研究大多數(shù)是圍繞釉原蛋白進行仿生礦化[25～27]，然而由于蛋白調(diào)控牙釉質(zhì)的形成和礦化是一個極其復(fù)雜的過程[28]，機制至今尚未明確，而且需要比較嚴格的反應(yīng)條件，因此還需要進一步的研究。此外，酸蝕牙面原位釉質(zhì)再礦化的方法一直是多年來的研究熱點，但大部分再礦化方向研究目前始終不能突破厚度限制，無法應(yīng)用于臨床。但近年來，隨著生物、醫(yī)學(xué)、物理、化學(xué)等各學(xué)科的交叉及綜合，人們通過物理方法、化學(xué)方法甚至物理化學(xué)融合方法，通過從化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)形態(tài)兩方面模擬天然牙釉質(zhì)，合成類牙釉質(zhì)材料。目前的研究結(jié)合材料成分和應(yīng)用范圍，主要從兩個思路入手：綜合化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)形態(tài)兩方面再生牙釉質(zhì)；僅從結(jié)構(gòu)形態(tài)方面模仿天然牙釉質(zhì)，用豐富多樣的優(yōu)異成分替代羥基磷灰石，以合成類釉質(zhì)材料。本文將這兩種思路分類闡述類牙釉質(zhì)材料的物理化學(xué)合成方法，介紹基本的設(shè)計原理和制造方法，并進一步從應(yīng)用角度對兩類合成方法的優(yōu)缺點、發(fā)展前景和機遇進行評述。

二、從成分和結(jié)構(gòu)兩方面仿生合成

1.基于表面活性劑處理的沉淀結(jié)晶：表面活性劑分子一端為親水的極性帶電基團，另一端常為疏水的非極性烴鏈[29]。通過靜電相互作用其親水端能緊密與羥基磷灰石的表面結(jié)合，其分子外部烴鏈將羥基磷灰石表面改性為疏水性。這些疏水性納米棒聚集在一起，能夠在水/空氣界面處自組裝成高度有序的類釉質(zhì)柱狀結(jié)構(gòu)。近年來，越來越多的具有兩親性的分子被嘗試用于合成類牙釉質(zhì)材料，如多庫酯鈉鹽（docusate sodium salt）、聚多巴胺分子[30]、氨基和羧基封端的聚酰胺樹枝狀大分子等等。這是最早成功合成平行排列的細長釉質(zhì)狀磷灰石晶體的方法。但合成晶體結(jié)構(gòu)小且隨機分散，合成條件極端，此外添加的化學(xué)物質(zhì)可能會產(chǎn)生有害的生物效應(yīng)。

2.螯合劑引導(dǎo)的水熱法：水熱法是制造長羥基磷灰石納米棒的有效方法[31]。研究利用金屬板、硅片、鋅片、斜方鋁石等等作為基板[32]，在水熱壓下向溶液中加入磷灰石并添加螯合劑，即可以獲得一層類似牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)的磷灰石薄膜。此法結(jié)晶度高，且避免前法中使用的極端條件如高壓、高酸度和有害的成核或乳化條件。但合成過程需要添加大量的化學(xué)成分，得到的磷灰石比天然牙釉質(zhì)晶體小。近年來有學(xué)者改良水熱法，在不添加任何蛋白質(zhì)、表面活性劑、有機溶劑的情況下，以斜方鋁石為模板，利用磷酸三鈉水溶液開發(fā)了一種簡便的方法來合成類牙釉質(zhì)HAp納米棒晶體陣列，鈣/磷比高達1.67[33]。

3.模擬體液溶液（simulated body fluid，SBF）浸泡礦化：模擬體液溶液是一種非細胞模擬體液，其離子濃度幾乎等于人的血漿[34]。經(jīng)過表面處理的金屬、陶瓷或聚合物浸泡在SBF提供的超飽和環(huán)境中即可誘導(dǎo)磷灰石的形成。近年來此法不斷完善，研究通過濃縮SBF、合成類似SBF成分的緩沖液等改良方法，在多種仿生礦化模板上合成了高度有序類牙釉質(zhì)結(jié)構(gòu)，如玉米醇溶蛋白納米球自組裝形成的單層架構(gòu)模板[35]、珍珠質(zhì)水溶性基質(zhì)（water-soluble matrix，WSM）模板[35]、氧化鈦基板上的氟代羥基磷灰石涂層[36，37]等等。此法獲得的晶體可以大面積沉積，通過表面改型、功能化改良可以實現(xiàn)在各種襯底上都可以沉積，三維的磷酸鈣晶體表面結(jié)構(gòu)也可以通過調(diào)整來制定礦化條件，然而其結(jié)晶度通常較低。

4.釉原蛋白類似物介導(dǎo)的礦化：在非經(jīng)典結(jié)晶理論（non-classical crystallization theory）基礎(chǔ)上，通過納米顆粒的定向附著（oriented attachment）來實現(xiàn)礦化。非結(jié)晶理論即有機分子包裹無機納米晶核形成穩(wěn)定的無定形礦物[38]，其介導(dǎo)通過自組裝和晶體排列以形成宏觀晶體的中間體[39]。三步殼聚糖/甘氨酸基合成法在（carboxymethyl chitosan，CMC）/阿侖膦酸鹽（alendronate，ALN）基質(zhì)中，模擬初始釉質(zhì)發(fā)生的關(guān)鍵步驟以獲得礦化晶體[40]。近年來多種生物大分子類似物都逐漸被引入國內(nèi)礦化領(lǐng)域以指導(dǎo)在混合溶劑中形成碳酸鈣晶體[41，42]。此法將非經(jīng)典結(jié)晶機制、合成釉原蛋白類似物和模擬生物礦化步驟結(jié)合起來為未來改善釉質(zhì)缺損修復(fù)方法帶來巨大希望。但合成過程中產(chǎn)生的軟質(zhì)中間材料在咀嚼時尚不能承受牙齒牙合面的咀嚼壓力。

5.模擬生物礦化前沿的礦化：受合成條件、合成晶體的尺寸、厚度和性能的限制，在宏觀尺度下尚不能實現(xiàn)仿生牙釉質(zhì)材料的合成。越來越多研究表明，生物礦化發(fā)生在晶體生長前沿處的晶體與非晶體界面[43～46]。因此，研究開始關(guān)注模擬生物礦化前沿以誘導(dǎo)釉質(zhì)的外延再生。據(jù)報道，Posner簇和磷酸鈣離子簇（CPIC）是 ACP 和 HAP 的基本組成部分[39，47～49]。通過穩(wěn)定地覆蓋礦物相，這些超小離子簇可以模擬礦化前沿以誘導(dǎo)釉質(zhì)的外延再生。然而這些離子簇非常不穩(wěn)定，在幾秒鐘內(nèi)即會聚集成團[48]。針對離子簇的聚集，目前研究合成了多種添加劑穩(wěn)定的CPIC[50]，其中一種合成方法利用的添加劑是可移除的有機小分子。這種離子簇不僅可以在礦化初期模仿礦化前沿來誘導(dǎo)釉質(zhì)的外延生長，還可以在礦化成熟過程中被完全去除，從而精確地保持原始結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性（圖7）。然而目前此法合成產(chǎn)物厚度被限制在約2.8um[51]。

三、僅從結(jié)構(gòu)角度仿生合成

1.逐層沉積（layer-by-layer（LBL）assembly）技術(shù)LBL工藝是指具有相反電荷的納米級厚度的單層化合物之間逐層吸附形成多層結(jié)構(gòu)的技術(shù)[52]。應(yīng)用此技術(shù)合成的粘土礦物/聚合物納米多層復(fù)合材料的性能優(yōu)異[53]、成本低廉，因此一直受到特別關(guān)注[54]。通過水熱法在硅片上沉積ZnO納米線，然后聚丙烯胺 (polyallylamine，PAAm）和聚丙烯酸(polyacrylic acid，PAA）逐層沉積吸附到ZnO表面[7]，在親水層上沉積新的ZnO納米顆粒，如此往復(fù)得到類牙釉質(zhì)材料（ZnO/LBL）n。其阻尼系數(shù)極高，成本低，并具有抗老化、高硬度、高剛度、高阻尼及低重量的優(yōu)勢。此外近期還有研究通過將表皮分層結(jié)構(gòu)與氧化石墨烯優(yōu)異的機械和阻隔性能相結(jié)合，嘗試實現(xiàn)仿生材料的自修復(fù)，性能優(yōu)異甚至與牙釉質(zhì)相當。

2.3D打印技術(shù)：近期3D打印多級陶瓷技術(shù)綜述指出該方法可用陶瓷模仿釉質(zhì)復(fù)雜的分層結(jié)構(gòu)[55～58]，通過軟相滲透的多級陶瓷支架模擬生物礦物得到多層結(jié)構(gòu)，顯示出增強的韌性和抗折裂性[59，60]。為了進一步改良不同相之間的連接界面，Reiser A等利用電液動力學(xué)氧化還原印刷技術(shù)（electrohydrodynamic redox printing），通過調(diào)整打印速度得到的產(chǎn)物在250nm的空間分辨率下化學(xué)特征尺寸小于400nm[61]。接下來的工作將致力于減小特征結(jié)構(gòu)的微尺寸，進一步研究增韌策略（例如通過使用其他粒子例如纖維等等），以及探索其他材料性能的匹配結(jié)合。

3.冷凍鑄造技術(shù)：冷凍澆鑄是一種技術(shù)，通過調(diào)整冰晶的生長以實現(xiàn)陶瓷顆粒精密組裝，從而生成層級結(jié)構(gòu)。近年來，這種利用散裝顆粒有序組裝形成層級結(jié)構(gòu)的生物啟發(fā)性策略受到了極大關(guān)注[62]。近期Bouville等采用冷凍鑄造技術(shù)制造出了一種具有高剛度（290GPa）和強度（470MPa）的分層陶瓷，同時在陶瓷片狀顆粒表面引入了低剛度相，從而獲得了高韌性（22MPam-1/2）[63]。

4.磁性輔助技術(shù)：磁輔助注漿成型法（magnetically assisted slip casting，MASC） 將水基注漿工藝與磁導(dǎo)向顆粒組裝相結(jié)合，在陶瓷、金屬或聚合物功能基質(zhì)中使用各向異性剛性薄片設(shè)計創(chuàng)建程序化微觀結(jié)構(gòu)，稱為非均質(zhì)生物復(fù)合材料的磁輔助注漿成型法[64，65]。這種技術(shù)是生成多層復(fù)合材料的有效方法，獲得的類牙釉質(zhì)材料韌性水平與氧化鋯相當，彈性模量接近骨和牙本質(zhì)的硬度，缺陷在于精度不足。這種方法提供了很好的研究方向，目前應(yīng)用超聲輔助共沉淀法已制備出生物安全性良好的納米羥基磷灰石包覆的磁性納米粒子[66]。若能賦予羥基磷灰石納米棒在某種物理場中受控地定向生長并結(jié)合注漿成型法，將是仿生牙釉質(zhì)技術(shù)一突破性進展。