科学家有望以羊毛为原料制造出类似天然牙釉质的材料 图片来源：伦敦国王学院

编者按：在科技迅猛发展的当下，从高精尖设备的研发，到对深海、外太空等极端环境的大胆探索，每一项革新与突破的背后，都离不开新型先进材料的支撑！“逆天改命”新材料系列文章将聚焦那些材料中的“叛逆者”。它们借助科学家们的巧妙设计以及前沿技术的加持，彻底改写了自身的一些固有特性，从而打破命运的枷锁，以全新的姿态，肩负起推动人类文明迈向未来的重任！

牙齿表面如“铠甲”一般的牙釉质，是人体最坚硬的天然组织！其莫氏硬度在5-6级之间（作为对比，不锈钢的莫氏硬度约为5.5-6.5级，自然界中已知天然存在的最坚硬物质——金刚石则为10级），然而它却不含细胞和血管。也就是说一旦成型，它就不再进行新陈代谢！

现在知道为何要保护牙齿了吧。人在换牙后形成的恒牙，其表面的牙釉质，在一生中都无法自然修复。所以，人们在日常生活中因为咀嚼、吃酸、食物残渣分解所造成的牙釉质损耗，都会伴随终生。

当牙齿缺损，人们往往会选择去补牙甚至重新种牙，但这些填充物或人造牙齿总是存在一些不完美。它们要么与真牙的色泽不一致、要么耐磨性较差。在使用一段时间（因人而异，一般为几个月到数年）后，患者可能还需要重回诊所，对这些人造材料进行修补或换新。

好在最近，随着科技水平的进步，一些能够真正“再造牙釉质”，或生成具有类似结构与硬度的矿化替代层的新手段，正逐渐出现。

人体内最坚硬的物质，却是“一次性”产品？

牙釉质是我们身体中最坚硬的物质，它就像牙齿的盔甲，保护着下方相对脆弱的牙本质和牙髓。

牙釉质的主要成分是高度矿化的羟基磷灰石（Hydroxyapatite）晶体。在牙齿的“幼体”——牙胚还未钻出牙床时，其中的造釉细胞会分泌有机基质，造出一个有机框架，这个框架随后会吸附周围环境中的钙、磷等矿物离子，促使其沉积，使自身逐步矿化。

然而等到牙齿完全形成并萌发出牙龈，造釉细胞就会退化或消失，牙釉质便无法再生和自我修复了！


牙釉质是人体内最坚硬的物质（不考虑植入物） 图片来源：维基媒体 DBCLS

那么牙釉质既然如此坚固，却又为何会产生缺损，导致出现龋齿呢？这其实是化学侵蚀与物理损耗共同促成的结果！

首先，口腔内如果长期残留食物残渣，细菌就会在分解这些有机物时产生酸性物质，腐蚀牙齿！其次，不正确的刷牙动作其实也会造成牙釉质损伤！因为牙釉质只是牙齿外部的一层外壳，其厚度的分布也不是均匀的，它们一般在牙冠部（咀嚼面）最厚，牙颈部（牙龈边缘）最薄。当人们错误地刷牙，比如横向刷牙时，薄弱的“山谷”区就更容易受到削弱……


这是极为罕见的无任何明显龋齿情况的牙齿照片 图片来源：维基媒体 Roquex

现有补牙材料的缺点

你知道吗？补牙的需求几乎伴随着整个人类文明。即便是古人也曾尝试利用天然树脂或黄金等材质填充龋齿或加固牙齿。然而尽管补牙手段众多，每种方式其实都存在着一些不足与妥协……

“银汞合金”是比较传统的补牙材料，这种合金坚固耐用，可承受后牙的咀嚼压力，并且其成本低廉，使用寿命也长，有些甚至可用几十年。

不过，这种材质的缺点也很明显，首先它那灰黑的金属色调和天然牙齿差异显著；其次，这种合金中有毒的汞元素可能会侵蚀神经和影响肾功能；最后，在“安装”上，用这种材料修补牙齿往往需要磨除较多健康牙体。

而更为美观的补牙材料，比如树脂，虽然在颜色上更加匹配天然牙齿，但这种材质硬度较低，易出现磨损，并且用久了也容易变色或被染色。至于其他的补牙材质，如陶瓷等，也都存在加工难度高、易碎、易磨损健康牙体等问题。

总体看，这些补牙手段都存在美观性、防腐性、耐用性、舒适性等方面的问题。那么，人们到底有没有方法，来重造出类似天然牙釉质的完美替代品呢？


现有的补牙材料往往无法兼顾美观性与强度 图片来源：中国数字科技馆

科学家利用柔软的羊毛“再造”牙“铠甲”

最近一些研究人员取得了用“羊毛角蛋白”（keratin）来修复牙釉质方面的突破。

研究者从羊毛中提取角蛋白，将其制成薄膜，涂在牙齿样本表面。经过加工处理的角蛋白分子在接触唾液后，其二级结构会发生改变，暴露出更多带负电的氨基酸残基，从而为矿物离子提供结合位点。

简单来说，在适当的条件下，角蛋白网络为矿物离子的沉积提供了一个可以“攀附”的框架结构。矿物离子在角蛋白的作用下有序沉积在这里。

当薄膜接触到唾液里的矿物离子（主要是钙和磷）后，它会慢慢吸引这些离子在薄膜上堆积，形成一层晶体状的外壳，如此重构出与天然牙釉质类似的结构。

这种保护层不仅可以防止蛀牙继续侵蚀，还在颜色上更接近天然牙，不像某些补料那样存在明显色差。

另外，采用这种相对“温柔”的补牙方式，也可以让患者享受到更高的舒适度，降低其心理负担，同时由于所用材料来自生物体，其安全性和生物相容性也更好。

让酵母“学会”为人体打印牙外壳

除了用毛发提取物来辅助沉积矿化物。一队来自美国加州大学的科学家，联合来自美国、日本的其他机构的研究人员，又在《自然·通讯》杂志发表了另一项“变废为宝”的研究成果，同样可以再造牙釉质，只不过他们的实现方式有些“重口味”，是运用了“酵母+尿液”的组合！

前文已经提到，牙釉质的主要成分是羟基磷灰石。在人体内，骨骼系统中的羟基磷灰石由成骨细胞构建和维护。所以，这些科学家就开始想，能否人为造出一种“山寨版”的成骨细胞，让它来修补受损的牙齿。

说干就干！科学家通过基因工程改造了一种常见的酵母菌，让它具备了类似成骨细胞的功能。接着，他们把从尿液中提取的尿素“喂”给这些酵母菌，后者随即启动了一套生物化学“流水线”，最终成功分泌出结晶状的羟基磷灰石。


成骨酵母平台的原理图（图片来源：Müller, I. E., et al., 2025）

为什么要用尿液呢？研究人员认为人类的这种自然废弃物中存在许多有价值的矿物离子，而目前却没有能有效利用它们的手段。通过用尿液来再造牙釉质，研究人员希望传达一种“变废为宝”的理念。

根据实验数据，每升尿液可以生产出大约1克的羟基磷灰石，整个转化过程不到一天就能完成，并且该生产过程可以始终在相对温和的温度下进行。这意味着我们不需要为此去制作和维护复杂昂贵的基础设施，使得该技术相对容易推广！

知识卡片：
1.牙齿敏感，接触冷热酸甜等刺激时疼痛，其实不一定是釉质缺损引起的！也可能是牙龈萎缩造成的。牙根部的牙本质上有很多通向牙神经的小管，外部刺激可以通过这些通道传递到牙髓，让牙神经感到痛！

2.含氟牙膏能修复牙齿吗？它的原理是帮助再矿化！

含氟牙膏可以促使脱矿釉质重新钙化，并通过用氟离子替换牙釉质晶体中的羟基，来形成更耐酸的氟磷灰石，从而让牙釉质的微小裂缝或受弱化区域变得更强，如此也可减轻牙敏感。但如果局部的牙釉质已经消失，含氟牙膏也不可能使它复原……

蝌蚪君提醒你：要避免在口腔中长期残留食物残渣，也要掌握正确的刷牙方法！避免因为动作不规范而损伤牙齿或牙龈！


错误的刷牙方式不但无法有效清洁牙齿，还会损伤牙龈 图片来源：维基媒体 Poppy Thomas-Hill

当然，尽管在补牙新材料方面的研发工作取得了一定的进展，但距离它们真正走进牙医诊所，服务于广大患者，恐怕还需要相当长的一段时间。另外，科学家也需要验证这些新材料能否有效抵抗咀嚼压力，评估出它们的耐机械磨损性能如何，以及其在人类口腔的pH环境、菌群侵蚀下，能否长时间保持稳定存在。

总之，我们可以看到新技术正从“人工填补”向“生物恢复”的方向迈进。用毛发角蛋白制成“矿化框架”薄膜以及利用基因改造过的酵母生成矿物这两条路线，若在今后能够完善和成熟，将不仅可以填补牙齿的缺损，更可能恢复牙齿的原本结构与功能，从而为患者提供更舒适的治疗体验，以及更理想的治疗效果。

作者：宋世超
审核：孙立权 北京理工大学生命学院副教授