科學家有望以羊毛為原料制造出類似天然牙釉質(zhì)的材料 圖片來源：倫敦國王學院

編者按：在科技迅猛發(fā)展的當下，從高精尖設(shè)備的研發(fā)，到對深海、外太空等極端環(huán)境的大膽探索，每一項革新與突破的背后，都離不開新型先進材料的支撐！“逆天改命”新材料系列文章將聚焦那些材料中的“叛逆者”。它們借助科學家們的巧妙設(shè)計以及前沿技術(shù)的加持，徹底改寫了自身的一些固有特性，從而打破命運的枷鎖，以全新的姿態(tài)，肩負起推動人類文明邁向未來的重任！

牙齒表面如“鎧甲”一般的牙釉質(zhì)，是人體最堅硬的天然組織！其莫氏硬度在5-6級之間（作為對比，不銹鋼的莫氏硬度約為5.5-6.5級，自然界中已知天然存在的最堅硬物質(zhì)——金剛石則為10級），然而它卻不含細胞和血管。也就是說一旦成型，它就不再進行新陳代謝！

現(xiàn)在知道為何要保護牙齒了吧。人在換牙后形成的恒牙，其表面的牙釉質(zhì)，在一生中都無法自然修復。所以，人們在日常生活中因為咀嚼、吃酸、食物殘渣分解所造成的牙釉質(zhì)損耗，都會伴隨終生。

當牙齒缺損，人們往往會選擇去補牙甚至重新種牙，但這些填充物或人造牙齒總是存在一些不完美。它們要么與真牙的色澤不一致、要么耐磨性較差。在使用一段時間（因人而異，一般為幾個月到數(shù)年）后，患者可能還需要重回診所，對這些人造材料進行修補或換新。

好在最近，隨著科技水平的進步，一些能夠真正“再造牙釉質(zhì)”，或生成具有類似結(jié)構(gòu)與硬度的礦化替代層的新手段，正逐漸出現(xiàn)。

人體內(nèi)最堅硬的物質(zhì)，卻是“一次性”產(chǎn)品？

牙釉質(zhì)是我們身體中最堅硬的物質(zhì)，它就像牙齒的盔甲，保護著下方相對脆弱的牙本質(zhì)和牙髓。

牙釉質(zhì)的主要成分是高度礦化的羥基磷灰石（Hydroxyapatite）晶體。在牙齒的“幼體”——牙胚還未鉆出牙床時，其中的造釉細胞會分泌有機基質(zhì)，造出一個有機框架，這個框架隨后會吸附周圍環(huán)境中的鈣、磷等礦物離子，促使其沉積，使自身逐步礦化。

然而等到牙齒完全形成并萌發(fā)出牙齦，造釉細胞就會退化或消失，牙釉質(zhì)便無法再生和自我修復了！

牙釉質(zhì)是人體內(nèi)最堅硬的物質(zhì)（不考慮植入物） 圖片來源：維基媒體 DBCLS

那么牙釉質(zhì)既然如此堅固，卻又為何會產(chǎn)生缺損，導致出現(xiàn)齲齒呢？這其實是化學侵蝕與物理損耗共同促成的結(jié)果！

首先，口腔內(nèi)如果長期殘留食物殘渣，細菌就會在分解這些有機物時產(chǎn)生酸性物質(zhì)，腐蝕牙齒！其次，不正確的刷牙動作其實也會造成牙釉質(zhì)損傷！因為牙釉質(zhì)只是牙齒外部的一層外殼，其厚度的分布也不是均勻的，它們一般在牙冠部（咀嚼面）最厚，牙頸部（牙齦邊緣）最薄。當人們錯誤地刷牙，比如橫向刷牙時，薄弱的“山谷”區(qū)就更容易受到削弱……

這是極為罕見的無任何明顯齲齒情況的牙齒照片 圖片來源：維基媒體 Roquex

現(xiàn)有補牙材料的缺點

你知道嗎？補牙的需求幾乎伴隨著整個人類文明。即便是古人也曾嘗試利用天然樹脂或黃金等材質(zhì)填充齲齒或加固牙齒。然而盡管補牙手段眾多，每種方式其實都存在著一些不足與妥協(xié)……

“銀汞合金”是比較傳統(tǒng)的補牙材料，這種合金堅固耐用，可承受后牙的咀嚼壓力，并且其成本低廉，使用壽命也長，有些甚至可用幾十年。

不過，這種材質(zhì)的缺點也很明顯，首先它那灰黑的金屬色調(diào)和天然牙齒差異顯著；其次，這種合金中有毒的汞元素可能會侵蝕神經(jīng)和影響腎功能；最后，在“安裝”上，用這種材料修補牙齒往往需要磨除較多健康牙體。

而更為美觀的補牙材料，比如樹脂，雖然在顏色上更加匹配天然牙齒，但這種材質(zhì)硬度較低，易出現(xiàn)磨損，并且用久了也容易變色或被染色。至于其他的補牙材質(zhì)，如陶瓷等，也都存在加工難度高、易碎、易磨損健康牙體等問題。

總體看，這些補牙手段都存在美觀性、防腐性、耐用性、舒適性等方面的問題。那么，人們到底有沒有方法，來重造出類似天然牙釉質(zhì)的完美替代品呢？

現(xiàn)有的補牙材料往往無法兼顧美觀性與強度 圖片來源：中國數(shù)字科技館

科學家利用柔軟的羊毛“再造”牙“鎧甲”

最近一些研究人員取得了用“羊毛角蛋白”（keratin）來修復牙釉質(zhì)方面的突破。

研究者從羊毛中提取角蛋白，將其制成薄膜，涂在牙齒樣本表面。經(jīng)過加工處理的角蛋白分子在接觸唾液后，其二級結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變，暴露出更多帶負電的氨基酸殘基，從而為礦物離子提供結(jié)合位點。

簡單來說，在適當?shù)臈l件下，角蛋白網(wǎng)絡(luò)為礦物離子的沉積提供了一個可以“攀附”的框架結(jié)構(gòu)。礦物離子在角蛋白的作用下有序沉積在這里。

當薄膜接觸到唾液里的礦物離子（主要是鈣和磷）后，它會慢慢吸引這些離子在薄膜上堆積，形成一層晶體狀的外殼，如此重構(gòu)出與天然牙釉質(zhì)類似的結(jié)構(gòu)。

這種保護層不僅可以防止蛀牙繼續(xù)侵蝕，還在顏色上更接近天然牙，不像某些補料那樣存在明顯色差。

另外，采用這種相對“溫柔”的補牙方式，也可以讓患者享受到更高的舒適度，降低其心理負擔，同時由于所用材料來自生物體，其安全性和生物相容性也更好。

讓酵母“學會”為人體打印牙外殼

除了用毛發(fā)提取物來輔助沉積礦化物。一隊來自美國加州大學的科學家，聯(lián)合來自美國、日本的其他機構(gòu)的研究人員，又在《自然·通訊》雜志發(fā)表了另一項“變廢為寶”的研究成果，同樣可以再造牙釉質(zhì)，只不過他們的實現(xiàn)方式有些“重口味”，是運用了“酵母+尿液”的組合！

前文已經(jīng)提到，牙釉質(zhì)的主要成分是羥基磷灰石。在人體內(nèi)，骨骼系統(tǒng)中的羥基磷灰石由成骨細胞構(gòu)建和維護。所以，這些科學家就開始想，能否人為造出一種“山寨版”的成骨細胞，讓它來修補受損的牙齒。

說干就干！科學家通過基因工程改造了一種常見的酵母菌，讓它具備了類似成骨細胞的功能。接著，他們把從尿液中提取的尿素“喂”給這些酵母菌，后者隨即啟動了一套生物化學“流水線”，最終成功分泌出結(jié)晶狀的羥基磷灰石。

成骨酵母平臺的原理圖 圖片來源：Müller, I. E., et al., 2025

為什么要用尿液呢？研究人員認為人類的這種自然廢棄物中存在許多有價值的礦物離子，而目前卻沒有能有效利用它們的手段。通過用尿液來再造牙釉質(zhì)，研究人員希望傳達一種“變廢為寶”的理念。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，每升尿液可以生產(chǎn)出大約1克的羥基磷灰石，整個轉(zhuǎn)化過程不到一天就能完成，并且該生產(chǎn)過程可以始終在相對溫和的溫度下進行。這意味著我們不需要為此去制作和維護復雜昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施，使得該技術(shù)相對容易推廣！

知識卡片：

1.牙齒敏感，接觸冷熱酸甜等刺激時疼痛，其實不一定是釉質(zhì)缺損引起的！也可能是牙齦萎縮造成的。牙根部的牙本質(zhì)上有很多通向牙神經(jīng)的小管，外部刺激可以通過這些通道傳遞到牙髓，讓牙神經(jīng)感到痛！

2.含氟牙膏能修復牙齒嗎？它的原理是幫助再礦化！

含氟牙膏可以促使脫礦釉質(zhì)重新鈣化，并通過用氟離子替換牙釉質(zhì)晶體中的羥基，來形成更耐酸的氟磷灰石，從而讓牙釉質(zhì)的微小裂縫或受弱化區(qū)域變得更強，如此也可減輕牙敏感。但如果局部的牙釉質(zhì)已經(jīng)消失，含氟牙膏也不可能使它復原……

蝌蚪君提醒你：要避免在口腔中長期殘留食物殘渣，也要掌握正確的刷牙方法！避免因為動作不規(guī)范而損傷牙齒或牙齦！

錯誤的刷牙方式不但無法有效清潔牙齒，還會損傷牙齦 圖片來源：維基媒體 Poppy Thomas-Hill

當然，盡管在補牙新材料方面的研發(fā)工作取得了一定的進展，但距離它們真正走進牙醫(yī)診所，服務(wù)于廣大患者，恐怕還需要相當長的一段時間。另外，科學家也需要驗證這些新材料能否有效抵抗咀嚼壓力，評估出它們的耐機械磨損性能如何，以及其在人類口腔的pH環(huán)境、菌群侵蝕下，能否長時間保持穩(wěn)定存在。

總之，我們可以看到新技術(shù)正從“人工填補”向“生物恢復”的方向邁進。用毛發(fā)角蛋白制成“礦化框架”薄膜以及利用基因改造過的酵母生成礦物這兩條路線，若在今后能夠完善和成熟，將不僅可以填補牙齒的缺損，更可能恢復牙齒的原本結(jié)構(gòu)與功能，從而為患者提供更舒適的治療體驗，以及更理想的治療效果。

作者：宋世超

審核：孫立權(quán) 北京理工大學生命學院副教授

本文在科普新媒體平臺“蝌蚪五線譜”刊發(fā)，經(jīng)授權(quán)發(fā)布