治疗蛀牙有希望了!成功在龋齿上长出牙釉质,比天然的更强

生物矿化是自然界中形成有机无机杂化生命结构的重要路径。成熟牙釉质的形成通常包含通过釉原蛋白(amelogenin)等有机基体形成有序羟基磷灰石(HAp)纳米柱的过程。釉原蛋白是由碳端端肽C-Ame和氮端多肽N-Ame构成的。一旦到达细胞外,釉原蛋白会经历一系列的酶解过程,并形成直径为10到20纳米的纳米球,这些纳米球在釉质矿化中起关键的作用。N-Ame对于釉原蛋白自组装形成类淀粉样聚集体有非常重要的作用,而这些由β折叠的堆叠形成的聚集体是HAp晶体生长的模板。C-Ame则是起到帮助这些晶体形成平行排列结构的作用。具有一定有序排列的HAp纳米柱是经过无定形磷酸钙(ACP)纳米球的聚集和晶型转换而形成的。

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图1. 釉原蛋白和本文提出的替代材料生成牙釉质的过程

 

成人牙齿形成后,釉原蛋白就消失了,身体也不会再补给,因此釉质一旦破坏就不能形成像原生牙齿一样的结构,就会形成龋齿。龋齿是一个广泛存在的公共健康问题。虽然已经报道了一些能够重新矿化釉质的合成化学物质,比如氟化物、酪蛋白磷酸肽和三乙胺等,但是这些方法都有显著的缺陷,比如氟化物疗法会提高氟斑牙的风险等。

因此,用生物相容性更好的材料替代合成化学物质有很重要的意义。已经有一些研究者报道了具有釉原蛋白功能的替代物,但是他们与牙釉质的亲和力不够好,因此在临床上也没有很多实际应用。如果人工合成全序列的釉原蛋白,又太费时费力。其实,釉原蛋白的再矿化表达并不一定需要整个序列的参与,关键在于能够实现上文提到的碳端C-Ame和氮端N-Ame的功能,两者组合就有望起到很好的效果。

从这一角度出发,近日,来自西安理工大学方长青教授、天津医科大学张栩和陕西师范大学杨鹏等合作合成了一种模拟釉原蛋白氮端的相转变溶菌霉(PTL),与模拟C-Ame功能区域的合成蛋白C-AMG混合、共同形成涂层,成功仿生釉原蛋白,实现了龋坏牙齿再矿化、促进了仿釉质结构的生成。此方法得到的牙釉质比人体本身牙釉质的硬度还要高一点儿!相关研究成果近日发表在《先进材料》上。

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PTL/C-AMG涂层的形成对后续HAp的生长非常重要。研究者通过将硅片浸泡在含有PTL、TCEP和C-AMG的溶液中不同时间就可以得到厚度为3-42 nm的均匀涂层。其原理非常简单,在TCEP的作用下,PTL中的二硫键被还原并形成较短的多肽齐聚物,这些齐聚物与C-AMG一起形成直径为50 nm左右的微球并沉积到基底上形成薄膜。此过程类似于常见的聚多巴胺涂层的形成方式,但与相比之下,PTL/C-AMG涂层是完全透明的,并且形成速度快,只要1 min,非常高效!将来只要用含有相应成分的溶液漱口或涂抹就可以达到治疗龋齿的目的。

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图2. PTL/C-AMG涂层的形成过程

 

在进一步的研究中,作者采用QCM-D和原子力显微镜(AFM)对涂层进行了表征,验证了PTL/C-AMG涂层与人体本身牙釉质的亲和性。

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图3. PTL-C-AMG在牙釉质上形成的涂层

 

同时,作者在体外(in vitro)进行了涂层表面再矿化的研究。SEM显示,自然牙釉质的表面成鱼鳞状结构,磷酸酸化之后,釉质脱矿化形成不规则孔洞结构,用含有PTL/C-AMG的人工唾液浸泡后,孔洞结构消失,发生再矿化形成致密的柱状晶体结构,成功模拟牙釉质表面原本的鱼鳞状结构。进一步的SEM表征发现再矿化形成的牙釉质与原本的牙釉质存在明显的分界面,反映了HAp成功形成一层新的外延晶体。AFM表征很明显地显示了这些HAp棱状晶体沿着某个取向方向整齐紧密排列。

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图4. PTL/C-AMG涂层在牙釉质表面的再矿化

 

值得一提的是,修复后的牙釉质强度和模量(4.5 ± 0.2 GPa,86.3 ± 4.2 GPa)都媲美于原始牙釉质(4.0 ± 0.4 GPa,85.3 ± 5.1 GPa),比已报道的其他方式修复的牙釉质强度和模量都高出很多。

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图5. PTL/C-AMG人体牙齿表面修复和重新形成的HAp矿化层力学性能表征

 

作者随后在小鼠口腔内做了体内(in vivo)牙齿修复的研究,14天口腔内PTL/C-AMG治疗后,龋坏的牙齿表面重新形成了类似正常牙釉质表面的鱼鳞状结构,比没有任何处理和用传统氟化物处理过的牙齿表面恢复的效果都好。

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图6. 脱矿化釉质的PTL/C-AMG体内修复

 

综上所述,作者认为PTL/C-AMG可以很好地模拟自然界中釉原蛋白的功能,形成类似牙釉质的HAp晶体阵列结构。体内实验尤其有意义,意味着临床应用的可能性,相关的实验正在进行中。今后,PTL/C-AMG漱口水的生产可以给龋齿的家庭治疗带来更大的便利。

全文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202002080

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