珐琅质再矿化可生成与原生珐琅质结构相似的矿物层并恢复其机械性能，但是目前再矿化过程仍面临重大挑战。近日，来自浙江大学的Changyu Shao、唐睿康和谢志坚教授团队进行了肽两亲化合物介导的各向异性无定形颗粒的组装和融合促进牙釉质再矿化的相关研究。研究成果以“Peptide Amphiphile-Mediated Assembly and Fusion of Anisotropic Amorphous Particles for Enamel Remineralization”为题于01月28日发表在《Advanced Functional Materials》上。
本文开发了多肽双亲（PA）分子通过静电相互作用与无定形磷酸钙（ACP）颗粒结合，赋予其各向异性，促使PA修饰的ACP形成纺锤形聚集体。此外，一些残留PA分子可能会进一步调节结晶，促进整齐排列的羟基磷灰石束形成。PA的参与还可介导ACP在釉质表面有序沉积和融合，构建具有连续结构的结晶-非晶矿化。这种矿化确保珐琅晶体的外延定向生长，并获得与原生珐琅质类似结构有序的矿物层，同时有效恢复珐琅质的机械性能。新形成的矿物质层厚度可通过循环再矿化而增加，从而有利于设计实用的珐琅质修复产品。
本文从以下几个方面进行详细描述
1. PA介导的各向异性无定形粒子的组装和有序结构形成
2. PA介导的ACP组装和融合形成矿化
3. 与天然珐琅质结构相似的再矿化珐琅质
4. 机械性能评估
图1 跟踪定向HAP束的形成
通过原位透射电镜（TEM）观察，监测m-SBF中磷酸钙从无定形到结晶的演变过程。在没有PA分子的情况下，最初形成的ACP粒子直径为34.5±6.7nm，并通过各种粒子间作用力相互随机作用，形成无序聚集体。随着结晶进行，这些颗粒从无定形状态转变为结晶度较低的固体，最终形成棒状HAP晶体，但这些HAP棒无法形成有序结构。当PA分子引入m-SBF时，PA分子与ACP颗粒相互作用，改变其表面的物理化学性质，并调整颗粒间电位。在钙离子存在情况下，PA可自组装成纳米片。随着保形取向结晶的发生，聚集体的结晶度越来越高，形成紧密排列且相互平行的HAP晶体。此外，一些残留PA分子可吸附在HAP表面，作为粘合剂改善杆状HAP的结合。为进一步验证PA分子在这一过程中的关键作用，利用傅立叶变换红外光谱（FTIR）对PA和ACP之间的相互作用进行了研究，结果表明，PA和ACP之间存在相互作用，可能是通过PA的羧基和钙离子之间的电子静电相互作用发生的，ACP聚集体的组装和晶化过程的可能情况见示意图（图2i）。在HAP成核和生长过程中，PA可以通过选择性吸附来参与和控制这一结晶过程，从而影响最终形态。在PA的介导下，ACP通过溶解-重结晶或结构重排途径完全转化为HAP，并形成组织良好、紧密的HAP束。以上结果表明了PA在调节具有排列整齐结构矿物形成过程中的多重作用，可能会延伸到釉质再生的应用中。
图2 釉质再矿化物质构造
为模拟龋齿，研究人员建立一个体外模型，用37%的磷酸腐蚀健康釉质30秒。SEM显示釉质表面光滑，有蚀坑，蚀坑变得空洞且不紧密。当珐琅质在含有PA分子的m-SBF中进行再矿化时，在PA分子影响下形成ACP，并均匀、紧密覆盖珐琅质表面。这是自然界普遍存在的现象，即无定形前体以瞬时状态沉积在已有结晶矿物上。如TEM结果所示，这些PA修饰的ACP部分能够自组装成具有纺锤形结构并紧密结合在一起的聚集体。可能归因于各向异性的作用力。在没有PA分子的情况下，ACP颗粒在珐琅质表面的随机沉积进一步证实该结果。随着矿化进行，最初沉积的ACP在固态下转变为具有相同取向的结晶矿物，在一定程度上体现在碳酸钙体系中观察到的颗粒纹理上。总之以上结果证实PA分子在釉质再矿化中的关键作用。利用HRTEM对新形成ACP矿物与原生釉质晶体之间的界面进行详细研究。通过快速傅立叶变换（FFT）确认覆盖在珐琅质晶体上磷酸钙的无定形状态，没有明显的衍射信号，而珐琅质HAP晶体则有几个衍射点，原子层面的界面几乎没有可观察到的边界，这表明具有连续结构的晶体-非晶生长已成功形成。实现晶体的外延生长，促进珐琅质复杂结构的重建，在釉质再矿化过程中，釉质晶体的生长主要是ACP颗粒的增生，这些ACP颗粒随后以有序的方式结晶，最终形成再矿化的釉质。已上发现表明PA分子可在萌芽阶段引导ACP组织化并融合到釉质表面，促进生物仿生矿化建立以重建釉质结构。
图3 珐琅质再矿化表征
最初釉质中的HAP晶体呈带状紧密结合在一起，酸蚀后表面矿物溶解，紧密结合的HAP晶体变得不紧密，削弱机械强度。通常情况下，珐琅质可以在m-SBF中再矿化，但新形成的HAP晶体取向与天然珐琅质不一致，结构紊乱。在矿化系统中引入PA分子后，经过3天的再矿化，结构得以重建，由于形态结构高度相似，扫描电镜下与天然珐琅质无异，而且新形成的HAP晶体紧密堆积，比酸蚀形成的结构更致密，纵向排列的釉棒和整个釉质也可以再矿化，形成具有组织结构的矿物层。再矿化珐琅质的横截面显示其内部详细结构，HAP晶体平行于珐琅质杆长轴，形成一个结构上连续的层，再矿化和原生区之间没有边界。为进一步评估再矿化层的厚度，使用原子力显微镜（AFM）和光学轮廓仪，结果显示再矿化区域和未矿化区域的高度差约为1.5μm，与扫描电镜的结果一致。使用X射线衍射和HRTEM测量再矿化珐琅质层中的矿物相和微观结构。结果显示实验组新形成矿物的所有峰值和强度（I）与天然珐琅几乎相同，表明它们的宏观晶体排列相似。新形成的HAP晶体在天然珐琅质晶体顶部外延生长，并以相同方位结束，从单个珐琅质棒的晶格条纹连续性证实从原生到再矿化区域的整合。综上所述，以上结果证实PA分子在珐琅质再矿化中的重要作用，其结构可以从纳米尺度到宏观尺度精确重建，显示了其在未来实际应用中的潜力。
图4 珐琅的机械性能
人牙齿珐琅质是一种具有层次结构的生物功能复合材料，其性能恢复在受损后至关重要。本研究中，研究人员采用纳米压痕法测量珐琅质样本的硬度（H）、弹性模量（E）、蠕变特性和耐磨性，全面评估了珐琅质样本的力学性能。珐琅质可以作为模板诱导磷酸钙在m-SBF中异质成核并形成新的矿物层，但是结构较为紊乱。相比之下，在PA参与下，珐琅质的H值和E值得以恢复，主要由于形成了与天然珐琅质类似的组织结构。此外，利用纳米压痕法以一步加载和卸载测试珐琅的蠕变特性，PA诱导的釉质再矿化蠕变特性得以改善，抗疲劳性也得到提高，表明其具有相似的耐磨性，而且都更优越。但是，酸蚀样品的这些值由于酸蚀处理破坏了表面结构而有所下降，对照组的再矿化性能较差，很难提高其性能。与对照组相比，PA诱导的釉质再矿化可提高釉质的耐酸性。总之，以上结果表明，本文修复策略具有优异的性能，在临床实践中大有可为。
总结与展望
本文开发了一种新的釉质再生策略，可以利用PA分子复制釉质复杂结构并恢复其机械性能，为未来临床应用提供机理基础。与之前研究不同，本研究将重点放在各向异性非晶粒子制造及其组装上，结果形成了结构复杂的聚集体和纺锤形组装体。通过结晶调节形成排列整齐的HAP束。在釉质再矿化过程中，PA介导的各向异性ACP颗粒组装并融合到釉质HAP晶体上，形成连续的晶体-非晶体矿化，促进HAP晶体外延生长，在釉质表面形成结构有序的矿物质。在此基础上，PA作为一种活性分子，可以有效促进釉质上结构有序矿物质的形成。该策略可用于实际釉质再生产品，为设计和制造具有复杂结构功能材料开辟了新途径。
文章来源：https://doi.org/10.1002/adfm.202306900
