牙釉质是牙齿坚硬的外层，是人体中最坚硬的物质。它也非常难以人工复制。纵观历史，牙医们使用各种材料修复受损和腐烂的牙齿，从蜂蜡到汞合金，再到现代陶瓷或树脂基材料。但他们可能很快就会有一种更接近真实物质的合成替代品。
一个化学和结构工程师团队发明了一种新材料，它模仿了牙釉质的基本特性：它既坚固，又非常重要，还略有弹性。这种多功能物质可能被用于加固骨折、制造更好的心脏起搏器，并且除了作为牙釉质的替代品外，还可以通过创造“智能牙齿”将填充物提升到一个新的水平。关于这项研究的一项研究本周发表在《科学》杂志上。
天然牙釉质肩负着保护牙齿的艰巨任务，牙齿不断受到口腔细菌、酸性食物、咀嚼甚至说话的压力。随着时间的推移，磨损会逐渐积累。“你用同一副牙齿 60 年，甚至更久，”密歇根大学化学工程师、该研究的合著者尼古拉斯·科托夫说。“因此，这是一个巨大的化学和机械应力。” 而且与骨骼不同，牙釉质不能由人体再生。
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牙釉质韧性和灵活性的关键结合很难复制。“软材料通常更容易制造，”科托夫解释说。牙釉质独特平衡特性的秘诀在于其结构。它由数百万根紧密堆积的磷酸钙棒组成，这些棒只有通过电子显微镜才能看到。
“想象一下，当你把一包铅笔握在一起时，”南加州大学生物化学家珍妮特·莫拉迪安-奥尔达克说，她没有参与这项研究。这种排列方式允许棒在压力下稍微压缩，而不是破碎，同时保持整体结构非常坚固。人造牙釉质模仿了这种结构，将磷酸钙棒与柔性聚合物链捆绑在一起。
研究人员将他们的新材料制造成牙齿形状，然后测试它是否会在强烈的热量和压力下破裂。“这些作者使用工程和严苛的实验室条件来模仿细胞和自然所做的事情，这种方式实际上非常巧妙，”莫拉迪安-奥尔达克说。最终，该团队发现人造牙釉质可以承受比天然牙釉质更大的力。
然而，这种材料可能不是完美的牙齿类似物。“在论文中，我没有看到很多关于模仿人类牙釉质 3D 结构的解答，”德克萨斯农工大学颅面研究员托马斯·迪克维施说，他没有参与这项新研究。但是，他指出，这并不意味着它没有用。“至少对于功能性仿生学来说，你不必完全复制自然所做的事情。”
除了在牙科领域的明显潜力外，科托夫还设想将这种材料用于为患有心脏病的人制造更好、更持久的心脏起搏器，或用于加强患有严重骨质疏松症的人的脆弱骨骼。他说，这种材料甚至可以被修改以创造“智能牙齿”，一种包含传感器的假牙，可以同步到智能手机。这种设备可以监测一个人的呼吸和口腔细菌的异常情况，这将使医生能够在患者意识到之前发现糖尿病等疾病。
但在它能在牙医诊所首次亮相之前，这种材料必须是经济实惠的、可批量生产的，并且经过临床安全性和有效性测试。“我对他们使用的方法印象深刻，”莫拉迪安-奥尔达克说。“问题是，它有多实用？”
科托夫说，他的团队在制造过程中严格使用了生物相容性化合物，这意味着人造牙釉质理论上对人类是安全的。他希望在未来几年内看到它的应用，但他没有做出任何预测。科托夫引用了包括尼尔斯·玻尔和约吉·贝拉在内的人物所说的一句话：“预测任何事情都非常困难——尤其是未来。”