淀粉样蛋白介导的再矿化作用在正畸治疗中用于预防白斑病变

《Advanced Materials Interfaces》：Amyloid-Mediated Remineralization for the Prevention of White Spot Lesions in Orthodontic Treatments

白斑病变（WSLs）由正畸附件周围生物膜产酸引起，本研究提出通过溶菌酶相变涂层（PTL）诱导的“自上而下”矿化策略预防WSLs。PTL涂层通过β-折叠结构增强与牙釉质的界面结合，快速形成层状羟基磷灰石（HAp）矿化层，其机械性能、酸电阻性与天然牙釉质接近。实验证明该涂层能有效抵御生物膜酸蚀，抑制牙釉质矿化流失，且矿化层可修复再生。

　　白垩斑（White Spot Lesions, WSLs）是正畸治疗中最常见的副作用之一，尤其在使用固定矫治器（如牙套）的情况下更为普遍。这些病变通常表现为牙齿表面出现不透明、灰白色区域，是牙釉质脱矿化的最早可见迹象。WSLs的形成主要是由于牙釉质局部矿物质的流失，而这种矿物质流失通常是由牙菌斑生物膜中细菌代谢产生的酸性产物所引发的。这些酸性物质会降低牙齿表面的pH值，从而导致牙釉质的溶解和结构破坏。牙釉质是由紧密排列的羟基磷灰石（Hydroxyapatite, HAp）晶体构成的，其折射率约为1.65，远高于空气（1.0）和水（1.33）的折射率。当牙釉质晶体溶解时，会在牙釉质结构中形成微小的孔隙或空洞，这些空洞被水或空气填充，由于折射率的差异，导致牙齿表面出现明显的白垩斑现象。

WSLs不仅影响牙齿的美观，还可能进一步发展为龋坏病变，造成牙齿结构的永久性损伤。据临床研究显示，高达50%的正畸患者在治疗期间会出现白垩斑。正畸装置如托槽、弓丝和带环等，因其复杂的结构，使得口腔清洁变得困难。这些结构会阻碍刷牙和牙线的清洁效果，从而导致牙菌斑在难以触及的区域持续积累。牙菌斑中的细菌，如变形链球菌（*Streptococcus mutans*）和乳杆菌（*Lactobacillus*），能够将食物中的糖分代谢为乳酸，进一步降低牙齿表面的pH值，引发牙釉质脱矿化。因此，如何有效预防WSLs的形成，成为正畸治疗中亟需解决的重要问题。

目前，临床上常用的预防WSLs的方法包括保持良好的口腔卫生、使用氟化物治疗以及正畸密封剂等。此外，近年来，一些基于矿物化的产品也被广泛应用，这些产品通过提供钙、磷等矿物质，帮助恢复牙釉质的强度。例如，酪蛋白磷酸肽-无定形磷酸钙（CPP-ACP）是一种常用的矿物质补充剂，能够作为矿物质的储存库，通过释放钙和磷离子来修复牙釉质。然而，这些传统方法通常采用“自上而下”的策略，即通过外部供给矿物质离子来修复牙釉质。这种方法的一个局限性是，新沉积的矿物质可能无法与原有牙釉质在化学和结构上完全融合，导致机械结合力较弱，容易受到磨损和再次脱矿化的影响。

针对上述问题，本研究提出了一种全新的“自下而上”矿物化策略，利用相变溶菌酶（Phase-Transitioned Lysozyme, PTL）作为牙釉质的活性蛋白涂层，从而诱导牙釉质的有序矿物化。PTL涂层通过简单的浸泡或涂抹方法形成，能够促进羟基磷灰石晶体的逐层生长，其结构和成分与天然牙釉质高度相似。通过一系列的表征技术，研究者发现PTL诱导的矿物层具有优异的机械性能、酸性环境下的稳定性以及与牙釉质表面的强结合能力。在酸性挑战下，PTL涂层能够充当“牺牲性屏障”，阻止酸性物质对牙釉质的侵蚀，同时支持重复的矿物沉积，实现对受损表面的自我修复。这一发现表明，PTL涂层在正畸治疗中具有巨大的应用潜力，能够有效维持牙釉质的完整性，防止白垩斑的形成。

PTL涂层的形成依赖于溶菌酶分子在特定条件下发生的相变过程。在实验中，研究者将牙釉质样本浸泡在含有溶菌酶和一种还原剂（三(2-羧乙基)膦，TCEP）的溶液中，以促使溶菌酶的分子结构发生变化。TCEP的作用是破坏溶菌酶分子内部的二硫键，从而诱导其形成类似于淀粉样蛋白的聚集结构。这种相变过程不仅提高了溶菌酶的附着能力，还使其能够作为稳定的模板，引导羟基磷灰石晶体的有序生长。通过荧光染色和显微镜技术，研究者观察到PTL在牙釉质表面的快速沉积，其覆盖率达到几乎100%。此外，PTL涂层还展现出良好的生物相容性，通过细胞活性实验表明，其表面能够支持细胞的附着和增殖，进一步证明其在临床应用中的可行性。

在PTL诱导的矿物化过程中，研究者发现其能够通过逐层沉积的方式构建出具有高度结构化特征的羟基磷灰石层。这一过程类似于天然牙釉质的形成机制，其中晶体在有序的排列下逐步生长，形成坚固的结构。通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）等技术，研究者观察到PTL诱导的矿物层具有与天然牙釉质相似的化学成分和晶体结构。此外，通过纳米压痕测试，研究者还发现该矿物层的硬度和弹性模量接近天然牙釉质，进一步验证了其在机械性能上的优越性。这些特性使得PTL诱导的矿物层在酸性环境下表现出极强的稳定性，即使在长时间的酸蚀测试后，仍能保持其结构的完整性。

为了评估PTL诱导矿物层在实际酸性挑战中的表现，研究者采用了一种模拟生物膜酸性环境的实验模型。在该模型中，牙釉质样本被暴露于含有变形链球菌的细菌混合物中，以模拟正畸治疗过程中牙菌斑对牙釉质的侵蚀。实验结果显示，未进行PTL处理的牙釉质在4周后出现了明显的白垩斑，其表面变得粗糙，并且出现了显著的孔隙和脱矿化现象。相比之下，经过PTL诱导矿物化处理的牙釉质表面则保持了相对光滑的形态，未发生明显的结构破坏。这表明，PTL诱导的矿物层在面对细菌代谢产生的酸性环境时，能够有效阻挡酸性物质对牙釉质的侵蚀，从而防止白垩斑的形成。此外，EDX分析还表明，即使在细菌处理后，PTL诱导的矿物层的钙磷比仍然保持在接近天然牙釉质的水平，说明其在酸蚀过程中仅发生了轻微的矿物质流失。

PTL诱导矿物化过程的另一个重要优势是其具有良好的可修复性。当牙釉质表面受到损伤时，PTL涂层能够作为“牺牲性屏障”，在酸性环境中优先被侵蚀，从而保护下层的牙釉质结构。这种机制类似于天然牙釉质的自我修复能力，即当牙釉质受到轻微损伤时，能够通过矿物沉积的方式进行修复。研究者发现，PTL诱导的矿物层可以通过重复的涂布和矿物化过程实现多次修复，这为正畸治疗中牙釉质的长期保护提供了新的思路。此外，PTL涂层的形成过程简单，只需要将牙釉质表面浸泡在含有溶菌酶的溶液中，即可快速形成稳定的涂层。这种简便的操作方式使得PTL在临床应用中具有较高的可行性。

在实际应用中，PTL涂层的引入不仅能够有效防止白垩斑的形成，还能够提高牙釉质的耐酸性，减少因酸蚀导致的牙齿损伤。同时，由于PTL诱导的矿物层具有良好的机械性能，它能够抵抗日常的咀嚼和摩擦，避免因物理磨损而导致的矿物层脱落。这种结构和性能的结合，使得PTL涂层成为一种具有潜力的新型正畸保护材料。此外，PTL涂层还能够与牙齿表面形成紧密的结合，这有助于其在长期使用中保持稳定性，减少对牙釉质的二次损伤。

综上所述，本研究通过引入一种基于相变溶菌酶的“自下而上”矿物化策略，为正畸治疗中白垩斑的预防提供了一种创新性的解决方案。PTL涂层不仅能够促进牙釉质的有序矿物化，还能在酸性环境中充当保护屏障，支持重复的矿物沉积以实现自我修复。这些特性使得PTL涂层在临床应用中具有广阔的发展前景，有望成为未来正畸治疗中保护牙釉质、防止白垩斑形成的重要工具。通过这一研究，我们不仅深入理解了PTL在牙釉质保护中的作用机制，还为开发新型的牙釉质修复材料提供了科学依据和技术支持。