牙釉質是牙齒堅硬的外層，是人體中最堅硬的物質。它也非常難以人工複製。縱觀歷史，牙醫們使用各種材料修復受損和腐爛的牙齒，從蜂蠟到汞合金，再到現代陶瓷或樹脂基材料。但他們可能很快就會有一種更接近真實物質的合成替代品。
一個化學和結構工程師團隊發明了一種新材料，它模仿了牙釉質的基本特性：它既堅固，又非常重要，還略有彈性。這種多功能物質可能被用於加固骨折、製造更好的心臟起搏器，並且除了作為牙釉質的替代品外，還可以透過創造“智慧牙齒”將填充物提升到一個新的水平。關於這項研究的一項研究本週發表在《科學》雜誌上。
天然牙釉質肩負著保護牙齒的艱鉅任務，牙齒不斷受到口腔細菌、酸性食物、咀嚼甚至說話的壓力。隨著時間的推移，磨損會逐漸積累。“你用同一副牙齒 60 年，甚至更久，”密歇根大學化學工程師、該研究的合著者尼古拉斯·科托夫說。“因此，這是一個巨大的化學和機械應力。” 而且與骨骼不同，牙釉質不能由人體再生。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您將有助於確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
牙釉質韌性和靈活性的關鍵結合很難複製。“軟材料通常更容易製造，”科托夫解釋說。牙釉質獨特平衡特性的秘訣在於其結構。它由數百萬根緊密堆積的磷酸鈣棒組成，這些棒只有透過電子顯微鏡才能看到。
“想象一下，當你把一包鉛筆握在一起時，”南加州大學生物化學家珍妮特·莫拉迪安-奧爾達克說，她沒有參與這項研究。這種排列方式允許棒在壓力下稍微壓縮，而不是破碎，同時保持整體結構非常堅固。人造牙釉質模仿了這種結構，將磷酸鈣棒與柔性聚合物鏈捆綁在一起。
研究人員將他們的新材料製造成牙齒形狀，然後測試它是否會在強烈的熱量和壓力下破裂。“這些作者使用工程和嚴苛的實驗室條件來模仿細胞和自然所做的事情，這種方式實際上非常巧妙，”莫拉迪安-奧爾達克說。最終，該團隊發現人造牙釉質可以承受比天然牙釉質更大的力。
然而，這種材料可能不是完美的牙齒類似物。“在論文中，我沒有看到很多關於模仿人類牙釉質 3D 結構的解答，”德克薩斯農工大學顱面研究員托馬斯·迪克維施說，他沒有參與這項新研究。但是，他指出，這並不意味著它沒有用。“至少對於功能性仿生學來說，你不必完全複製自然所做的事情。”
除了在牙科領域的明顯潛力外，科托夫還設想將這種材料用於為患有心臟病的人制造更好、更持久的心臟起搏器，或用於加強患有嚴重骨質疏鬆症的人的脆弱骨骼。他說，這種材料甚至可以被修改以創造“智慧牙齒”，一種包含感測器的假牙，可以同步到智慧手機。這種裝置可以監測一個人的呼吸和口腔細菌的異常情況，這將使醫生能夠在患者意識到之前發現糖尿病等疾病。
但在它能在牙醫診所首次亮相之前，這種材料必須是經濟實惠的、可批次生產的，並且經過臨床安全性和有效性測試。“我對他們使用的方法印象深刻，”莫拉迪安-奧爾達克說。“問題是，它有多實用？”
科托夫說，他的團隊在製造過程中嚴格使用了生物相容性化合物，這意味著人造牙釉質理論上對人類是安全的。他希望在未來幾年內看到它的應用，但他沒有做出任何預測。科托夫引用了包括尼爾斯·玻爾和約吉·貝拉在內的人物所說的一句話：“預測任何事情都非常困難——尤其是未來。”