琺瑯質(zhì)再礦化可生成與原生琺瑯質(zhì)結(jié)構(gòu)相似的礦物層并恢復(fù)其機械性能，但是目前再礦化過程仍面臨重大挑戰(zhàn)。近日，來自浙江大學(xué)的Changyu Shao、唐睿康和謝志堅教授團隊進行了肽兩親化合物介導(dǎo)的各向異性無定形顆粒的組裝和融合促進牙釉質(zhì)再礦化的相關(guān)研究。研究成果以“Peptide Amphiphile-Mediated Assembly and Fusion of Anisotropic Amorphous Particles for Enamel Remineralization”為題于01月28日發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。
本文開發(fā)了多肽雙親（PA）分子通過靜電相互作用與無定形磷酸鈣（ACP）顆粒結(jié)合，賦予其各向異性，促使PA修飾的ACP形成紡錘形聚集體。此外，一些殘留PA分子可能會進一步調(diào)節(jié)結(jié)晶，促進整齊排列的羥基磷灰石束形成。PA的參與還可介導(dǎo)ACP在釉質(zhì)表面有序沉積和融合，構(gòu)建具有連續(xù)結(jié)構(gòu)的結(jié)晶-非晶礦化。這種礦化確保琺瑯晶體的外延定向生長，并獲得與原生琺瑯質(zhì)類似結(jié)構(gòu)有序的礦物層，同時有效恢復(fù)琺瑯質(zhì)的機械性能。新形成的礦物質(zhì)層厚度可通過循環(huán)再礦化而增加，從而有利于設(shè)計實用的琺瑯質(zhì)修復(fù)產(chǎn)品。
本文從以下幾個方面進行詳細描述
1. PA介導(dǎo)的各向異性無定形粒子的組裝和有序結(jié)構(gòu)形成
2. PA介導(dǎo)的ACP組裝和融合形成礦化
3. 與天然琺瑯質(zhì)結(jié)構(gòu)相似的再礦化琺瑯質(zhì)
4. 機械性能評估
圖1 跟蹤定向HAP束的形成
通過原位透射電鏡（TEM）觀察，監(jiān)測m-SBF中磷酸鈣從無定形到結(jié)晶的演變過程。在沒有PA分子的情況下，最初形成的ACP粒子直徑為34.5±6.7nm，并通過各種粒子間作用力相互隨機作用，形成無序聚集體。隨著結(jié)晶進行，這些顆粒從無定形狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶度較低的固體，最終形成棒狀HAP晶體，但這些HAP棒無法形成有序結(jié)構(gòu)。當PA分子引入m-SBF時，PA分子與ACP顆粒相互作用，改變其表面的物理化學(xué)性質(zhì)，并調(diào)整顆粒間電位。在鈣離子存在情況下，PA可自組裝成納米片。隨著保形取向結(jié)晶的發(fā)生，聚集體的結(jié)晶度越來越高，形成緊密排列且相互平行的HAP晶體。此外，一些殘留PA分子可吸附在HAP表面，作為粘合劑改善桿狀HAP的結(jié)合。為進一步驗證PA分子在這一過程中的關(guān)鍵作用，利用傅立葉變換紅外光譜（FTIR）對PA和ACP之間的相互作用進行了研究，結(jié)果表明，PA和ACP之間存在相互作用，可能是通過PA的羧基和鈣離子之間的電子靜電相互作用發(fā)生的，ACP聚集體的組裝和晶化過程的可能情況見示意圖（圖2i）。在HAP成核和生長過程中，PA可以通過選擇性吸附來參與和控制這一結(jié)晶過程，從而影響最終形態(tài)。在PA的介導(dǎo)下，ACP通過溶解-重結(jié)晶或結(jié)構(gòu)重排途徑完全轉(zhuǎn)化為HAP，并形成組織良好、緊密的HAP束。以上結(jié)果表明了PA在調(diào)節(jié)具有排列整齊結(jié)構(gòu)礦物形成過程中的多重作用，可能會延伸到釉質(zhì)再生的應(yīng)用中。
圖2 釉質(zhì)再礦化物質(zhì)構(gòu)造
為模擬齲齒，研究人員建立一個體外模型，用37%的磷酸腐蝕健康釉質(zhì)30秒。SEM顯示釉質(zhì)表面光滑，有蝕坑，蝕坑變得空洞且不緊密。當琺瑯質(zhì)在含有PA分子的m-SBF中進行再礦化時，在PA分子影響下形成ACP，并均勻、緊密覆蓋琺瑯質(zhì)表面。這是自然界普遍存在的現(xiàn)象，即無定形前體以瞬時狀態(tài)沉積在已有結(jié)晶礦物上。如TEM結(jié)果所示，這些PA修飾的ACP部分能夠自組裝成具有紡錘形結(jié)構(gòu)并緊密結(jié)合在一起的聚集體。可能歸因于各向異性的作用力。在沒有PA分子的情況下，ACP顆粒在琺瑯質(zhì)表面的隨機沉積進一步證實該結(jié)果。隨著礦化進行，最初沉積的ACP在固態(tài)下轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂邢嗤∠虻慕Y(jié)晶礦物，在一定程度上體現(xiàn)在碳酸鈣體系中觀察到的顆粒紋理上。總之以上結(jié)果證實PA分子在釉質(zhì)再礦化中的關(guān)鍵作用。利用HRTEM對新形成ACP礦物與原生釉質(zhì)晶體之間的界面進行詳細研究。通過快速傅立葉變換（FFT）確認覆蓋在琺瑯質(zhì)晶體上磷酸鈣的無定形狀態(tài)，沒有明顯的衍射信號，而琺瑯質(zhì)HAP晶體則有幾個衍射點，原子層面的界面幾乎沒有可觀察到的邊界，這表明具有連續(xù)結(jié)構(gòu)的晶體-非晶生長已成功形成。實現(xiàn)晶體的外延生長，促進琺瑯質(zhì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的重建，在釉質(zhì)再礦化過程中，釉質(zhì)晶體的生長主要是ACP顆粒的增生，這些ACP顆粒隨后以有序的方式結(jié)晶，最終形成再礦化的釉質(zhì)。已上發(fā)現(xiàn)表明PA分子可在萌芽階段引導(dǎo)ACP組織化并融合到釉質(zhì)表面，促進生物仿生礦化建立以重建釉質(zhì)結(jié)構(gòu)。
圖3 琺瑯質(zhì)再礦化表征
最初釉質(zhì)中的HAP晶體呈帶狀緊密結(jié)合在一起，酸蝕后表面礦物溶解，緊密結(jié)合的HAP晶體變得不緊密，削弱機械強度。通常情況下，琺瑯質(zhì)可以在m-SBF中再礦化，但新形成的HAP晶體取向與天然琺瑯質(zhì)不一致，結(jié)構(gòu)紊亂。在礦化系統(tǒng)中引入PA分子后，經(jīng)過3天的再礦化，結(jié)構(gòu)得以重建，由于形態(tài)結(jié)構(gòu)高度相似，掃描電鏡下與天然琺瑯質(zhì)無異，而且新形成的HAP晶體緊密堆積，比酸蝕形成的結(jié)構(gòu)更致密，縱向排列的釉棒和整個釉質(zhì)也可以再礦化，形成具有組織結(jié)構(gòu)的礦物層。再礦化琺瑯質(zhì)的橫截面顯示其內(nèi)部詳細結(jié)構(gòu)，HAP晶體平行于琺瑯質(zhì)桿長軸，形成一個結(jié)構(gòu)上連續(xù)的層，再礦化和原生區(qū)之間沒有邊界。為進一步評估再礦化層的厚度，使用原子力顯微鏡（AFM）和光學(xué)輪廓儀，結(jié)果顯示再礦化區(qū)域和未礦化區(qū)域的高度差約為1.5μm，與掃描電鏡的結(jié)果一致。使用X射線衍射和HRTEM測量再礦化琺瑯質(zhì)層中的礦物相和微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示實驗組新形成礦物的所有峰值和強度（I）與天然琺瑯幾乎相同，表明它們的宏觀晶體排列相似。新形成的HAP晶體在天然琺瑯質(zhì)晶體頂部外延生長，并以相同方位結(jié)束，從單個琺瑯質(zhì)棒的晶格條紋連續(xù)性證實從原生到再礦化區(qū)域的整合。綜上所述，以上結(jié)果證實PA分子在琺瑯質(zhì)再礦化中的重要作用，其結(jié)構(gòu)可以從納米尺度到宏觀尺度精確重建，顯示了其在未來實際應(yīng)用中的潛力。
圖4 琺瑯的機械性能
人牙齒琺瑯質(zhì)是一種具有層次結(jié)構(gòu)的生物功能復(fù)合材料，其性能恢復(fù)在受損后至關(guān)重要。本研究中，研究人員采用納米壓痕法測量琺瑯質(zhì)樣本的硬度（H）、彈性模量（E）、蠕變特性和耐磨性，全面評估了琺瑯質(zhì)樣本的力學(xué)性能。琺瑯質(zhì)可以作為模板誘導(dǎo)磷酸鈣在m-SBF中異質(zhì)成核并形成新的礦物層，但是結(jié)構(gòu)較為紊亂。相比之下，在PA參與下，琺瑯質(zhì)的H值和E值得以恢復(fù)，主要由于形成了與天然琺瑯質(zhì)類似的組織結(jié)構(gòu)。此外，利用納米壓痕法以一步加載和卸載測試琺瑯的蠕變特性，PA誘導(dǎo)的釉質(zhì)再礦化蠕變特性得以改善，抗疲勞性也得到提高，表明其具有相似的耐磨性，而且都更優(yōu)越。但是，酸蝕樣品的這些值由于酸蝕處理破壞了表面結(jié)構(gòu)而有所下降，對照組的再礦化性能較差，很難提高其性能。與對照組相比，PA誘導(dǎo)的釉質(zhì)再礦化可提高釉質(zhì)的耐酸性。總之，以上結(jié)果表明，本文修復(fù)策略具有優(yōu)異的性能，在臨床實踐中大有可為。
總結(jié)與展望
本文開發(fā)了一種新的釉質(zhì)再生策略，可以利用PA分子復(fù)制釉質(zhì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)并恢復(fù)其機械性能，為未來臨床應(yīng)用提供機理基礎(chǔ)。與之前研究不同，本研究將重點放在各向異性非晶粒子制造及其組裝上，結(jié)果形成了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的聚集體和紡錘形組裝體。通過結(jié)晶調(diào)節(jié)形成排列整齊的HAP束。在釉質(zhì)再礦化過程中，PA介導(dǎo)的各向異性ACP顆粒組裝并融合到釉質(zhì)HAP晶體上，形成連續(xù)的晶體-非晶體礦化，促進HAP晶體外延生長，在釉質(zhì)表面形成結(jié)構(gòu)有序的礦物質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，PA作為一種活性分子，可以有效促進釉質(zhì)上結(jié)構(gòu)有序礦物質(zhì)的形成。該策略可用于實際釉質(zhì)再生產(chǎn)品，為設(shè)計和制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)功能材料開辟了新途徑。
文章來源：https://doi.org/10.1002/adfm.202306900
