修复牙釉质 | 空军军医大学牛丽娜/慕昭团队合作制备仿生自成熟矿化系统

修复牙釉质 | 空军军医大学牛丽娜/慕昭团队合作制备仿生自成熟矿化系统

牙釉质修复对于恢复牙齿功能和预防龋齿至关重要。但已有研究往往忽略了修复层内有机残留物的滞留，其阻碍致密晶体的生长并损害牙釉质修复后的性能。天然牙釉质成熟过程中，通过酶处理有机基质促进晶体生长，从而形成高度矿化的组织。

近日，空军军医大学牛丽娜、慕昭和奥古斯塔大学Franklin R.Tay共同通讯在《先进材料》（Advanced Materials）杂志上在线发表题为“用于牙釉质修复的仿生自熟化矿化系统（Biomimetic Self-Maturation Mineralization System for Enamel Repair）”的研究论文，该研究开发了一种仿生自成熟矿化系统，包括 RNA 稳定的无定形磷酸钙（RNA-ACP）和RNase。RNA-ACP以外延晶体生长的形式诱导初始矿化，而唾液中存在RNase自动触发仿生自成熟过程。

机理研究表明，RNA降解促进了RNA-ACP的构象重排，有效排出先前引入的有机物。这一排挤过程促进横向晶体生长，从而产生更致密的珐琅状磷灰石晶体，不包含有机残留物。这种消除珐琅质晶体中有机残留物的策略增强了修复后珐琅质的机械和理化性能。该研究介绍了一种临床中有效修复牙釉质的仿生矿化策略，并为生物矿物的形成机制研究提供了新思路。




牙釉质在保持牙齿健康和功能方面起着至关重要的作用。作为牙齿的最外层，釉质容易受到酸侵蚀（龋齿和非龋齿）、磨损和擦伤等不同形式的损伤，导致釉质脱矿和结构损伤，并加速龋齿发展。龋齿影响了约20亿人，给公共健康造成巨大负担。因此，及时有效地修复受损牙釉质，恢复牙齿功能并预防龋齿对于维护公众健康意义重大。成熟的釉质是一种高度矿化的组织，具有层次结构，由高达96%的无机碳酸磷灰石（HAP）、4%的有机物和水组成。尽管脱细胞釉质具有优异的机械性能，但其自我修复能力有限，分层釉质结构的再生和釉质特性的恢复仍存在一定困难。

脱矿釉质的原位再矿化因其非侵入性和温和反应条件而受到广泛关注。虽然氟化物是使用最广泛的再矿化方法，但缺乏矿物离子源和氟中毒的潜在风险使其仍存在临床局限性。因此，研究人员探索了牙釉质再矿化的仿生替代策略，可分为两大类：第一种即使用重组釉原蛋白、釉原蛋白激发的肽或有机大分子作为模板基质来促进磷灰石晶体生长，但釉质修复后难以去除嵌入其中的有机模板，此类方法严重依赖于人唾液中是否存在足够的Ca2+和PO43-离子，矿化效果往往受到限制；第二种策略利用有机添加剂来稳定矿物前体形式的过饱和磷酸钙，如磷酸钙（CaP）离子簇和无定形磷酸钙（ACP），该方法提供了充足的矿物前体供应，但残留在修复牙釉质中的ACP有机稳定剂尚未能去除。

有机残留物阻碍了致密釉质晶体的沉积，并削弱了修复釉质的机械性能。已有研究曾尝试通过利用基质金属蛋白酶-20、次氯酸钠或三乙胺的挥发来解决有机残留物的问题，但此类方案同样存在釉质再生结构难以满足需求、需手动添加外源性物质、高成本、高毒性和低临床可行性等问题，严重限制了其临床转化潜力。开发出一种能够自动去除有机添加剂、再生晶体结构致密并恢复受损牙釉质特性的牙釉质修复策略意义重大。


由RNA-ACP和核糖核酸酶组成的生物诱导自成熟矿化系统（摘自Advanced Materials ）

天然釉质的形成过程中起矿化前体稳定剂或矿化模板作用的有机成分被蛋白水解酶降解，最终诱导高度矿化釉质组织的形成，其中包含少量有机物质，该过程为模拟酶诱导釉质成熟过程的矿化系统设计提供了参考。核糖核酸（RNA）是一种含有大量磷酸基团的天然聚阴离子聚合物，是近年来生物矿化研究的热点。这种生物相容性聚合分子可被核糖核酸酶特异性降解，核糖核酸酶是一种天然存在于唾液中的酶。已有研究表明，具有磷酸主链的核酸可以通过静电力吸附到羟基磷灰石（HA）表面。因此，基于核酸的矿化材料与釉质表面之间存在界面亲和力。

利用自然牙釉质成熟过程中酶促去除有机残留物的作用和RNA的独特性质，作者开发了一种仿生自成熟系统，该系统由RNA-ACP和核糖核酸酶组成，以模拟牙釉质矿化的发生过程。自成熟是指在RNase和RNA-ACP相互作用下促进晶体生长的过程，能够自主将再生釉质晶体从有机闭塞和中间生长状态转变为高度矿化和完全发育的状态。该矿化系统不是为了从釉质中形成锁眼状结构，比如釉质发育过程中基质组装形成的结构，而是旨在通过在现有釉质表面上外延生长一薄层来修复部分脱矿的釉质。