科學(xué)家有望以羊毛為原料制造出類(lèi)似天然牙釉質(zhì)的材料 圖片來(lái)源：倫敦國(guó)王學(xué)院

編者按：在科技迅猛發(fā)展的當(dāng)下，從高精尖設(shè)備的研發(fā)，到對(duì)深海、外太空等極端環(huán)境的大膽探索，每一項(xiàng)革新與突破的背后，都離不開(kāi)新型先進(jìn)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(xué)家們的巧妙設(shè)計(jì)以及前沿技術(shù)的加持，徹底改寫(xiě)了自身的一些固有特性，從而打破命運(yùn)的枷鎖，以全新的姿態(tài)，肩負(fù)起推動(dòng)人類(lèi)文明邁向未來(lái)的重任！

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

現(xiàn)在知道為何要保護(hù)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(wú)法自然修復(fù)。所以，人們?cè)谌粘Ｉ钪幸驗(yàn)榫捉?、吃酸、食物殘?jiān)纸馑斐傻难烙再|(zhì)損耗，都會(huì)伴隨終生。

當(dāng)牙齒缺損，人們往往會(huì)選擇去補(bǔ)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(shí)間（因人而異，一般為幾個(gè)月到數(shù)年）后，患者可能還需要重回診所，對(duì)這些人造材料進(jìn)行修補(bǔ)或換新。

好在最近，隨著科技水平的進(jìn)步，一些能夠真正“再造牙釉質(zhì)”，或生成具有類(lèi)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(jiān)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(jiān)硬的物質(zhì)，它就像牙齒的盔甲，保護(hù)著下方相對(duì)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(shí)，其中的造釉細(xì)胞會(huì)分泌有機(jī)基質(zhì)，造出一個(gè)有機(jī)框架，這個(gè)框架隨后會(huì)吸附周?chē)h(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(xì)胞就會(huì)退化或消失，牙釉質(zhì)便無(wú)法再生和自我修復(fù)了！

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

那么牙釉質(zhì)既然如此堅(jiān)固，卻又為何會(huì)產(chǎn)生缺損，導(dǎo)致出現(xiàn)齲齒呢？這其實(shí)是化學(xué)侵蝕與物理?yè)p耗共同促成的結(jié)果！

首先，口腔內(nèi)如果長(zhǎng)期殘留食物殘?jiān)?，?xì)菌就會(huì)在分解這些有機(jī)物時(shí)產(chǎn)生酸性物質(zhì)，腐蝕牙齒！其次，不正確的刷牙動(dòng)作其實(shí)也會(huì)造成牙釉質(zhì)損傷！因?yàn)檠烙再|(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(dāng)人們錯(cuò)誤地刷牙，比如橫向刷牙時(shí)，薄弱的“山谷”區(qū)就更容易受到削弱……

這是極為罕見(jiàn)的無(wú)任何明顯齲齒情況的牙齒照片 圖片來(lái)源：維基媒體 Roquex

現(xiàn)有補(bǔ)牙材料的缺點(diǎn)

你知道嗎？補(bǔ)牙的需求幾乎伴隨著整個(gè)人類(lèi)文明。即便是古人也曾嘗試?yán)锰烊粯?shù)脂或黃金等材質(zhì)填充齲齒或加固牙齒。然而盡管補(bǔ)牙手段眾多，每種方式其實(shí)都存在著一些不足與妥協(xié)……

“銀汞合金”是比較傳統(tǒng)的補(bǔ)牙材料，這種合金堅(jiān)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(zhǎng)，有些甚至可用幾十年。

不過(guò)，這種材質(zhì)的缺點(diǎn)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(huì)侵蝕神經(jīng)和影響腎功能；最后，在“安裝”上，用這種材料修補(bǔ)牙齒往往需要磨除較多健康牙體。

而更為美觀的補(bǔ)牙材料，比如樹(shù)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(bǔ)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(wèn)題。

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

現(xiàn)有的補(bǔ)牙材料往往無(wú)法兼顧美觀性與強(qiáng)度 圖片來(lái)源：中國(guó)數(shù)字科技館

科學(xué)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(lái)修復(fù)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(guò)加工處理的角蛋白分子在接觸唾液后，其二級(jí)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變，暴露出更多帶負(fù)電的氨基酸殘基，從而為礦物離子提供結(jié)合位點(diǎn)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在適當(dāng)?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(gè)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(dāng)薄膜接觸到唾液里的礦物離子（主要是鈣和磷）后，它會(huì)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(lèi)似的結(jié)構(gòu)。

這種保護(hù)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(bǔ)料那樣存在明顯色差。

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

讓酵母“學(xué)會(huì)”為人體打印牙外殼

除了用毛發(fā)提取物來(lái)輔助沉積礦化物。一隊(duì)來(lái)自美國(guó)加州大學(xué)的科學(xué)家，聯(lián)合來(lái)自美國(guó)、日本的其他機(jī)構(gòu)的研究人員，又在《自然·通訊》雜志發(fā)表了另一項(xiàng)“變廢為寶”的研究成果，同樣可以再造牙釉質(zhì)，只不過(guò)他們的實(shí)現(xiàn)方式有些“重口味”，是運(yùn)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(xì)胞構(gòu)建和維護(hù)。所以，這些科學(xué)家就開(kāi)始想，能否人為造出一種“山寨版”的成骨細(xì)胞，讓它來(lái)修補(bǔ)受損的牙齒。

說(shuō)干就干！科學(xué)家通過(guò)基因工程改造了一種常見(jiàn)的酵母菌，讓它具備了類(lèi)似成骨細(xì)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(dòng)了一套生物化學(xué)“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(tái)的原理圖 圖片來(lái)源：Müller, I. E., et al., 2025

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

根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程不到一天就能完成，并且該生產(chǎn)過(guò)程可以始終在相對(duì)溫和的溫度下進(jìn)行。這意味著我們不需要為此去制作和維護(hù)復(fù)雜昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施，使得該技術(shù)相對(duì)容易推廣！

知識(shí)卡片：

1.牙齒敏感，接觸冷熱酸甜等刺激時(shí)疼痛，其實(shí)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(guò)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(fù)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(guò)用氟離子替換牙釉質(zhì)晶體中的羥基，來(lái)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(qiáng)，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(fù)原……

蝌蚪君提醒你：要避免在口腔中長(zhǎng)期殘留食物殘?jiān)惨莆照_的刷牙方法！避免因?yàn)閯?dòng)作不規(guī)范而損傷牙齒或牙齦！

錯(cuò)誤的刷牙方式不但無(wú)法有效清潔牙齒，還會(huì)損傷牙齦 圖片來(lái)源：維基媒體 Poppy Thomas-Hill

當(dāng)然，盡管在補(bǔ)牙新材料方面的研發(fā)工作取得了一定的進(jìn)展，但距離它們真正走進(jìn)牙醫(yī)診所，服務(wù)于廣大患者，恐怕還需要相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。另外，科學(xué)家也需要驗(yàn)證這些新材料能否有效抵抗咀嚼壓力，評(píng)估出它們的耐機(jī)械磨損性能如何，以及其在人類(lèi)口腔的pH環(huán)境、菌群侵蝕下，能否長(zhǎng)時(shí)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(bǔ)”向“生物恢復(fù)”的方向邁進(jìn)。用毛發(fā)角蛋白制成“礦化框架”薄膜以及利用基因改造過(guò)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(bǔ)牙齒的缺損，更可能恢復(fù)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(yàn)，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(xué)生命學(xué)院副教授

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