Advanced Materials:非晶陶瓷用于牙釉质修复的研究

硬组织修复一直是生物医学与健康领域的一大挑战。以人体中最硬的组织牙釉质为例,它是实现咀嚼和保护口腔生理环境的重要组织。但是,牙釉质在日常生活中受到各种病理风险的影响,如致龋细菌、机械损伤或pH值极高的饮料等,容易导致严重的口腔疾病和系统性疾病;并且人的牙釉质是超硬、高度结晶的,在整个生命周期内都无法自我修复,亟需开发可靠和可持续的牙釉质修复技术将提高生物体的生活质量,延长生物陶瓷材料的寿命。在目前的临床治疗中,由复合树脂和玻璃离子胶结物组成的合成材料最常用来自上而下地填充有缺陷的牙釉质,但是它们的聚合收缩会导致材料-牙釉质界面的微渗漏;近年来,自下而上的生物矿化方法也被用来修复牙釉质,但是其效率低,界面连接薄弱,严重制约了生物矿化方法在硬组织修复领域的应用。研究表明人类牙釉质晶体羟基磷灰石牙釉柱之间存在非晶层,可以有效提升牙釉质的力学表现及抗酸蚀能力,但是目前的牙釉质修复研究对于晶体-非晶界面的构筑还鲜有涉及。

北京航空航天大学化学学院郭林教授和北京大学口腔医院邓旭亮教授、卫彦教授合作,针对牙釉质修复这一挑战进行了研究:通过在酸蚀牙釉质表面均匀生长一层厚度为400nm左右的生物相容性的非晶氧化锆陶瓷层,实现了受损牙釉质力学性能的恢复至健康牙釉质的水平,并且具有优异的抗细菌能力,可以有效的保护口腔,是一种有潜在应用价值的新型牙釉质修复技术。相关结果发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201907067)上。

通过控制Zr4+在牙釉质表面的吸附、可控水解,达到氧化锆在非晶牙釉质表面成核与生长平衡的目的,从而成功实现厚度为400nm左右的非晶氧化锆包覆层在牙釉质表面的原位生长。该非晶氧化锆层的原位生长既可以渗透到牙釉柱之间形成物理锚定连接,提升界面作用力;修复层与牙釉质表面还形成了化学作用(如氢键、共价键等)进一步提升修复层与基底的黏附力,增强稳定性。受益于仿生的晶体-非晶界面构筑,该策略修复的牙釉质,模量和硬度分别达到82.5 GPa和5.2 GPa,并且具有优异的粘弹性(tanδ)预防脆断,其力学性能恢复至健康牙釉质的水平。此外,该修复层与牙釉质连接紧密,可以耐受15000次牙刷磨损和600次冷热循环,性能保持稳定,使用寿命长;并且,该修复层呈现出亲水性、电负性和光滑等特点,可抵抗致龋细菌的粘附和增殖,保护口腔环境。综上,通过生长非晶陶瓷来构筑晶体-非晶界面的牙釉质修复策略,将促进先进功能材料在生物医学与健康领域的应用和发展。