合成羟基磷灰石：牙釉质生物膜研究的理想替代模型

《Scientific Reports》：Synthetic hydroxyapatite: a perfect substitute for dental enamel in biofilm formation studies

本研究针对牙釉质样本稀缺且成分存在个体差异的问题，系统评估了合成羟基磷灰石（HAP）作为标准化替代材料在口腔生物膜研究中的适用性。通过对比HAP与天然釉质在初始生物膜（获得性膜）形成动力学、微观结构、蛋白质组构成及成熟细菌生物菌斑的定植能力、存活率等关键指标，证实合成HAP在生物膜形成的各个阶段均与天然釉质高度相似，且在细菌存活率检测方面更具优势。该研究为口腔生物膜研究提供了可靠、可重复的标准化模型，对促进口腔疾病机制研究和抗菌策略开发具有重要意义。

　　

在口腔健康研究领域，牙齿表面生物膜的形成机制及其调控策略一直是科学家们关注的焦点。健康的牙釉质表面在接触唾液后几秒钟内就会开始形成一层由蛋白质等生物大分子构成的初始生物膜——获得性膜（acquired pellicle），这层膜随后成为各种微生物附着的"基地"，最终发展成复杂的细菌生物膜。当口腔环境失衡时，这些生物膜可能引发龋齿、牙周病等口腔疾病，甚至与全身性疾病相关。因此，深入理解生物膜的形成过程对于开发有效的口腔疾病预防和治疗策略至关重要。

然而，口腔生物膜研究面临一个重大挑战：天然人牙釉质样本极其有限，且其化学成分存在个体差异。釉质主要成分羟基磷灰石（hydroxyapatite, HAP）中含有氟（F）、镁（Mg）等微量元素，这些元素的含量因人而异，直接影响釉质的性质。例如，氟具有抗龋作用，而镁则可能促进龋齿形成。这种天然变异使得研究结果难以标准化比较。虽然牛牙釉质常被用作替代材料，但其仍然存在成分不均一的问题。因此，开发高度标准化的釉质类似材料成为推动该领域研究的关键。

针对这一需求，德国萨尔大学的研究团队在《Scientific Reports》上发表了一项创新性研究，系统评估了合成HAP作为牙釉质替代材料在生物膜研究中的适用性。研究人员通过压力less烧结技术制备了成分、晶体结构和表面性质高度一致的HAP pellets（小球），并将其与精心制备的牛牙釉质样本进行并行比较。

研究采用了多种先进技术手段来全面评估两种材料上的生物膜形成情况。首先通过原子力显微镜（AFM）表征材料表面性质，显示HAP的平均RMS粗糙度为15.6±6.2 nm，釉质为24.3±5.3 nm，表明两者在纳米尺度上具有相似的拓扑特征。研究招募了5名口腔健康的志愿者，通过定制牙托将材料样本置于口腔内不同时间（5秒至48小时）进行原位生物膜培养。

初始生物膜-形成动力学、微观结构和厚度

透射电子显微镜（TEM）观察显示，两种材料上的初始生物膜形成动力学完全一致：5秒内即可形成电子致密的基底层，3分钟后厚度增加，120分钟后出现松散排列的球状凝聚物。生物膜厚度存在个体差异，但这种差异与基底材料无关，而是取决于志愿者个体特征。

初始生物膜-蛋白质组

通过纳米液相色谱-电喷雾电离-串联质谱（nanoLC-ESI-MS²）分析3分钟初始生物膜的蛋白质组成，在两种材料上共鉴定出567种不同蛋白质，HAP上为490种，釉质上为381种。蛋白质分布呈现明显的个体特异性，但两种材料间共同蛋白达61种，与先前报道的釉质上初始生物膜基础蛋白高度一致。统计分析显示两种材料间的蛋白质吸附模式无显著差异。

成熟生物膜-形成动力学和形态

24小时生物膜显示沉积物增加和初期细菌附着，48小时生物膜形成从单层到复杂多层的微生物群落。扫描电子显微镜（SEM）观察证实了微生物的多样性（球菌、杆菌等）和复杂的三维结构，这些特征均呈现个体特异性，但与基底材料无关。

成熟生物膜-细菌覆盖度和存活率

荧光显微镜结合 LIVE/DEAD? BacLight? 染色显示，48小时生物膜的细菌覆盖度在HAP上为59%，釉质上为57%，无显著差异。然而，细菌存活率存在明显区别：HAP上平均为72%，而釉质上仅为46%。X射线光电子能谱（XPS）分析显示釉质样本含有约0.25 at-%（2500 ppm）的氟，而HAP中无氟检出，这可能是导致釉质上细菌存活率较低的原因。

研究结论表明，合成HAP在生物膜形成的各个阶段（从初始获得性膜到成熟细菌生物膜）均与天然釉质表现出高度一致性。特别是在细菌存活率研究方面，合成HAP甚至更具优势，因为它避免了天然釉质中氟等微量元素对细菌代谢的干扰，为识别真正有效的抗菌剂提供了更纯净的实验平台。这种高度标准化的模型材料将极大促进口腔生物膜研究的可重复性和可比性，为开发新型口腔疾病预防策略奠定坚实基础。

该研究的创新之处在于首次系统性地在生理条件下对比了合成HAP与天然釉质在完整口腔生物膜形成过程中的表现，涵盖了从分子水平（蛋白质组）到微观结构（TEM、SEM）、从物理特性（AFM）到生物学功能（细菌存活率）的多维度评估。研究结果不仅证实了合成HAP作为釉质替代材料的可靠性，更重要的是为口腔生物膜研究提供了可量化、可重复的实验标准，这对推动个性化口腔医疗和新型抗菌材料开发具有重要价值。