牙本质仿生再矿化

牙本质仿生再矿化

周晨, ,缪羽*（通讯作者）

内蒙古医科大学第四附属医院口腔科  内蒙古 包头市 014030

摘要：脱矿牙本质的再矿化对于提高牙本质粘结稳定性和控制原发性或继发性龋病具有重要意义。然而，传统的牙本质再矿化策略不适用于通过酸蚀和冲洗以及自酸蚀粘接剂系统形成的混合层内的完全脱矿牙本质再矿化。仿生再矿化是解决这个问题的一种不同方法，它试图用液体状无定形磷酸钙纳米前体颗粒回填脱矿牙本质胶原，这些颗粒由非胶原蛋白的仿生类似物稳定。

牙齿是人体中矿化程度最高的组织。在个体的整个生命过程中，牙齿中的脱矿和再矿化过程共存。在病理条件下，脱矿超过再矿化[1]。产酸细菌发酵膳食碳水化合物会产酸，使牙釉质和牙本质脱矿。随着龋病进展到牙本质，内源性结合的基质金属蛋白酶和半胱氨酸组织蛋白酶的激活将导致胶原纤维的降解和牙本质力学性能的降低[2]。龋齿的预防和治疗是一项重大挑战。树脂-牙本质粘结是牙本质脱矿的另一个主要原因。树脂-牙本质键的形成主要是通过树脂渗透和暴露的胶原纤维缠绕在部分或完全脱矿的牙本质中的微机械保持来完成的。这是通过使用自酸蚀底漆/粘接剂衍生的酸或酸性树脂单体蚀刻牙本质来实现的，以暴露胶原纤维。迄今为止，树脂单体不可能完全置换脱矿胶原基质的纤维，尤其是纤维内隔室中的水，并完全渗透胶原网络。这必然导致粘结界面上出现矿物贫乏、树脂稀疏、富水的胶原纤维[3]。在酶、温度和功能应力的共同作用下，牙本质混合层内树脂不完全渗透的区域容易降解，导致界面完整性受损、粘结强度降低，最终导致树脂-牙本质粘结失效。因此，脱矿牙本质的再矿化对于控制牙本质龋齿以及改善牙本质粘结稳定性具有重要意义。

不同的策略用于脱矿牙本质的再矿化。例如，氟化物、无定形磷酸钙（ACP）释放树脂或含有生物活性玻璃的树脂基粘合剂已被用于提高粘结修复体对继发性龋齿的抵抗力[4]，然而，这些研究大多集中在部分脱矿龋齿牙本质的再矿化，这是基于钙和磷离子在现有磷灰石晶种晶体上的外延沉积。使用这些传统的基于离子的策略，在没有籽晶的地方不会发生再矿化[5]。因此，经典的基于离子的结晶概念可能不适用于混合层内完全脱矿牙本质的再矿化[6]。仿生再矿化是解决这个问题的一种不同方法，它试图用液态的ACP纳米前体颗粒回填脱矿牙本质胶原，这些前体颗粒由非胶原蛋白的仿生类似物稳定[7]。这是通过采用最近发现的非经典颗粒结晶概念来实现的。原胶原纤维的纤维内矿化不仅显著增加其机械性能，而且还保护胶原分子免受外部挑战，如温度、内源性酶、细菌酸和其他化学因素。使用这种仿生再矿化策略，酸蚀，冲洗粘接剂产生的混合层以及250–300µm厚的完全脱矿牙本质损伤都可以再矿化[8]。这种自下而上的再矿化策略不依赖于种子微晶，通过恢复混合层中剥落胶原的动态力学性能，使其接近矿化牙本质[9]，延长树脂-牙本质键的寿命。本文综述了磷酸钙再矿化概念的变化以及仿生牙本质再矿化策略的临床应用进展。

1磷酸钙生物矿化概念的转变

生物矿化是生物体在细胞质、贝壳、牙齿和骨架内以生物矿物的形式分泌无机矿物的过程。由于矿化通常发生在环境温度和压力条件下的受限反应环境中，因此该过程表现出高度的空间和层次控制。钙化的人体组织由胶原基质和分层排列的碳酸磷灰石无机相组成；其沉积受非胶原蛋白调节。一般认为，非胶原蛋白，在协调牙本质矿化中起着关键作用。它们具有羧酸和磷酸盐官能团，作为Ca/P成核和随后磷灰石结晶的优先位置。由于将天然或重组非胶原蛋白用于原位生物矿化的治疗性用途在经济上尚不可行，科学家们在仿生矿化中采用聚电解质和聚（酸）大分子来模拟这些天然蛋白质的功能域。传统的胶原矿化研究基于离子介导结晶的经典途径。晶体形成的经典模型始于晶体成核，然后是晶体生长。这一过程始于原子、离子或分子等基本构造块，形成团簇，团簇可能会再次生长或分解，这取决于表面和晶格能量的反作用。最终，一些团簇达到所谓的临界晶核大小。这些初生核复制进一步生长。虽然经典结晶模型在控制碳酸钙或磷酸钙的尺寸方面相对成功，但在再现胶原基质中纤维内磷灰石沉积的结构层次方面取得的成功有限。与离子介导的经典结晶途径相比，非经典结晶途径是粒子介导的，通过对无定形碳酸钙生物矿化的研究，提出了当代磷酸钙生物矿化的概念。在磷酸钙生物矿化的背景下，钙和磷离子通过参与硬组织矿化的非胶原蛋白质的仿生类似物被隔离成纳米颗粒，这些纳米颗粒以纳米单位存在，称为核前簇[10]。这些预核簇最终聚集成更大的液体，如ACP纳米颗粒。ACP纳米颗粒渗透到胶原纤维的纤维内水室时，经历自组装和晶体排列，通过中尺度组装形成亚稳结晶相。最终在胶原分子之间40 nm宽的间隙区内形成单一磷灰石微晶。

2在胶原仿生矿化中使用含磷酸盐仿生类似物的必要性

根据过去几十年的研究结果，人们推测胶原蛋白在磷酸钙生物矿化中的功能作用。早期的研究表明，原纤维胶原本身并不启动生物矿化，而是作为磷灰石微晶的被动储存库。这导致了大量研究研究了非胶原蛋白对纤维内胶原矿化的生物控制。非胶原蛋白被认为在骨和牙本质矿化中起着关键作用。骨和牙本质的细胞外基质含有少量非胶原蛋白，如骨桥蛋白、骨涎蛋白、牙本质基质蛋白1（DMP1）和牙本质涎磷蛋白（DSPP）

[11]。由于构成蛋白质主链的聚天冬氨酸残基上普遍存在羧酸基团，这些蛋白质具有高度阴离子性。丝氨酸残基磷酸化产生磷酸丝氨酸，这进一步增强了它们的阴离子性质。例如，牙本质磷蛋白是牙本质中含量最丰富的NCP，在（Asp-Pse）n和（Asp-Pse）n的重复序列中含有大量天冬氨酸（Asp）和磷酸丝氨酸（Pse）。参与生物矿化的非胶原蛋白的高度阴离子性质使其能够隔离和结合钙离子，并在骨和牙本质形成过程中将其呈现给矿化前沿的胶原纤维。胶原的仿生矿化是使用双仿生模拟策略进行的。聚丙烯酸或聚天冬氨酸用作类似物，用于隔离凝固硅酸钙或过饱和磷酸钙矿化溶液释放的钙离子。这些类似物的功能是充当表面活性剂，防止流体ACP纳米颗粒聚集成更大的颗粒，并抑制ACP纳米颗粒在进入胶原纤维的纤维内水室之前自动转化为磷灰石（即磷灰石成核抑制剂）[12]。

3胶原生物矿化策略对树脂-牙本质结合再矿化的适应性

除了机械性能的增加，矿化胶原蛋白中纤维内磷灰石的存在所起的一个主要作用是将比水大的分子（约18 Da）从矿物蛋白质生物复合物中排除。大于40kDa的分子是完全排除在I型胶原的多个内部水室之外，而小于6kDa的分子可以扩散到胶原原纤维内的所有水室。牙本质胶原酶水解实验也证实了矿物相对胶原降解的保护作用[13]。内源性基质金属蛋白酶和半胱氨酸组织蛋白酶以及其他生长因子被牙本质内的纤维状磷灰石矿物“石化”，但在被纳入矿化牙本质基质后仍保留其生物活性。随着胶原蛋白矿化，游离和松散结合的水逐渐被磷灰石取代。这种生理脱水机制确保矿化纤维的内部环境保持相对干燥，以保持截留的生物活性分子的完整性。在牙本质粘接中，通过酸、螯合剂或酸性树脂单体有意去除牙本质的矿物相，以暴露胶原蛋白，从而实现树脂的微观机械保留。随着牙本质脱矿，生长因子、基质金属蛋白酶和半胱氨酸组织蛋白酶等生物活性分子被激活[14]。当代酸蚀和冲洗以及自酸蚀粘接剂无法用树脂单体完全取代原纤维外和原纤维内胶原隔间中的水。树脂-牙本质键的仿生再矿化是一种粘结后技术，它用纤维内和纤维外磷灰石微晶取代纤维内的水以及混杂层富水、树脂稀疏区域的树脂。通过恢复矿化牙本质的酶排斥和石化特性，这种概念验证策略能够保持树脂-牙本质键的寿命[15]。

虽然，牙本质仿生再矿化技术从实验室走向临床还有一段很长的路要走，但是随着各种新型仿生分子的出现和挖掘，以及对脱矿牙本质仿生再矿化的深入研究，在不久的将来，一定会克服重重困难，为临床中治疗龋病开拓新的道路，造福龋病患者。

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