仿生超分子蛋白基质重建人类牙釉质结构与性能

《Nature Communications》：Biomimetic supramolecular protein matrix restores structure and properties of human dental enamel

本研究针对牙釉质不可再生且临床修复困难的难题，开发了一种基于弹性蛋白样重组聚合物（ELR）的超分子基质，通过模拟釉质发育基质的结构与功能，在酸蚀釉质及裸露牙本质表面诱导氟磷灰石纳米晶体的外延生长，成功重建了釉质不同解剖区域（无釉柱釉质、釉柱及釉柱间区）的微观结构，并恢复了其力学性能（弹性模量达76.3±18.7 GPa，硬度达3.1±0.8 GPa）。该技术具备临床友好性（3–4分钟快速成膜），在模拟刷牙、咀嚼、酸蚀等挑战下表现出优异的稳定性，为釉质再生提供了创新策略。

　　

牙齿作为人体最坚硬的组织，其表面的牙釉质由高度有序的磷灰石纳米晶体构成，赋予其卓越的硬度、耐磨性和抗断裂能力。然而，釉质一旦受损便无法自行修复，传统的修复材料难以复制其复杂的多级结构，导致功能恢复有限。全球近一半人口受釉质流失问题困扰，每年相关医疗支出高达5440亿美元。这一临床难题亟需能够模拟天然釉质形成过程的新型再生技术。

为攻克这一挑战，研究人员受釉质发育过程中釉原蛋白（amelogenin）引导矿物定向生长的启发，设计了一种基于弹性蛋白样重组聚合物（ELR）的仿生超分子基质。该基质通过调控ELR分子的无序-有序转变，在钙离子（Ca²⁺）存在下自组装形成β-片层富集的纤维状结构，模拟釉原蛋白的纤维支架功能。研究团队通过计算模拟和实验验证，证实ELR纤维能够引导氟磷灰石（fluorapatite）晶体沿c轴优先外延生长，从而在釉质表面重建无釉柱层、釉柱层及釉柱间区的微观结构。

关键技术方法包括：利用扫描/透射电子显微镜（SEM/TEM）和X射线散射（SAXS/WAXS）分析ELR纤维的形貌与晶体结构；通过纳米压痕和微摩擦测试评估再生釉质的力学性能（弹性模量E、硬度H、摩擦系数CoF等）；使用聚焦离子束（FIB）制备超薄切片并结合高分辨TEM验证新生晶体与天然釉质的晶体学整合；采用人工唾液及天然人唾液模拟口腔环境进行矿化实验；通过体外细胞实验（成纤维细胞、间充质干细胞、内皮细胞）评估生物相容性。

理性设计矿化ELR基质以模拟釉质发育

研究通过结合Ca²⁺与ELR分子，并利用干燥诱导分子拥挤，成功构建了具有β-片层结构的ELR纤维。分子动力学模拟显示，Ca²⁺与ELR中的statherin模序静电相互作用促进纤维形成，且疏水核心（VPGIG）与亲水表面（VPGKG）的排列类似天然釉原蛋白组装模式。

超分子ELR基质的组装与结构表征

SEM和TEM显示，仅当Ca²⁺存在时，ELR可形成宽度约20–40 nm、长度数微米的纤维。WAXS检测到4.7 ?（β-链间距）和10 ?（层间堆积）的特征衍射峰，证实其具有与釉质发育基质相似的交叉β结构。SAXS进一步揭示单根纤维宽度为48.7 ?，与胚胎牛釉质基质中观察到的尺寸一致。

ELR基质引导晶体沿c轴择优生长

将羟基磷灰石（HAp）纳米晶体嵌入ELR基质并矿化后，TEM显示非晶磷酸钙（ACP）前体沿晶体c轴融合，并转化为取向一致的氟磷灰石晶体。模拟计算表明，ELR片段在apatite的a轴结合能高于c轴，从而能量学上促进c轴生长。

釉质与牙本质的再矿化

在酸蚀釉质表面应用10 μm厚ELR涂层，矿化10天后可生成约50 nm宽、微米级长度的磷灰石纳米晶体层，恢复釉柱（parazone/diazone）和无釉柱区的结构。甚至在裸露牙本质表面，ELR基质能渗透矿化胶原纤维（MCFs），诱导形成类釉质层，且晶体与MCFs呈现晶格连续性，类似天然牙本质-釉质交界（DEJ）结构。

再生釉质的功能性恢复

纳米压痕测试显示，再生釉质的弹性模量（76.3±18.7 GPa）和硬度（3.1±0.8 GPa）接近天然釉质（80.7±18.3 GPa，3.4±0.9 GPa）。微摩擦实验表明，其磨损强度（171.3±3.8 GPa）甚至优于天然釉质（153.9±3.2 GPa）。在模拟刷牙（60分钟）、咀嚼（75 N力，2周）及酸侵蚀（pH 4.0）实验中，再生层均表现出与天然釉质相当的抗磨损、抗断裂和耐酸蚀能力。

晶体学整合验证

FIB-TEM分析显示，新生晶体与底层天然釉质晶体c轴取向一致，界面无清晰边界，证实外延生长。EDX图谱中氟信号仅存在于再生区域，进一步区分新生矿物与天然釉质。

牙本质表面矿化的力学与结构特性

再生牙本质表面的类釉质层弹性模量（58.3±16.7 GPa）和硬度（1.4±0.3 GPa）接近天然釉质，且胶原纤维在矿化过程中重新定向，平行于新生晶体生长方向，模仿DEJ结构。

临床转化潜力评估

使用乙醇/水溶剂和戊二醛交联的ELR基质在3–4分钟内形成稳定涂层，细胞实验证实其对人成纤维细胞、间充质干细胞和内皮细胞无毒性。在天然唾液中矿化2周后，仍能重建釉质结构并恢复力学性能，突显其临床适用性。

研究结论表明，ELR基质通过模拟釉质发育过程中的生物矿化路径，实现了对釉质多级结构的精准再生，并恢复了其关键力学与功能特性。该技术突破现有修复材料在结构仿生与功能整合方面的局限，为釉质侵蚀、牙本质过敏等口腔疾病的临床治疗提供了新途径。未来需通过体内实验进一步验证其长期稳定性与生物整合效果。