旋转力诱导人牙釉质磨损的独特机制与模式——一项初步体外研究

《American Journal of Biological Anthropology》：When Teeth Twist: Distinct Mechanisms and Patterns of Enamel Wear from Rotational Forces—A Preliminary Investigation

　　

动机：牙釉质（enamel）具有独特的各向异性（anisotropic）、异质性（heterogeneous）分级结构（hierarchical structure），使其相较其他天然和合成生物材料兼具高硬度和显著耐久性。然而，牙釉质会通过集中过载所致断裂和/或渐进性磨损发生机械降解（mechanical degradation），二者均可损害牙齿功能与寿命。牙釉质磨损尤其受人类学关注，因为其普遍存在，并使研究人员能够辨识研究人群的文化、行为和生态。体外（in vitro）模拟牙齿磨损的研究常采用基于轴向与侧向力组合的简化加载配置，这类配置可成功再现“经典”的凹坑（pits）和划痕（scratches）微磨耗（microwear）特征，但未捕捉体内（in vivo）加载条件的全部复杂性。

目标：对先前研究不足的旋转诱导咬合面机械磨损（rotationally induced occlusal mechanical wear）进行初步体外（in vitro）研究。

方法：采用具有解耦双轴（轴向-扭转）致动器（decoupled biaxial (axial–torsion) actuators）的测试机，对人牙釉质试件施加压缩（50 N）与旋转（30°）组合的循环接触试验。通过电子显微镜和共聚焦显微镜（confocal microscopy）对损伤进行表征。

结果：旋转力产生磨蚀磨损（abrasive wear），具有独特的微观损伤模式，并随接触循环次数增加呈现从准塑性（quasi-plastic）至脆性（brittle）损伤模式的转变。10⁴次循环后，宏观磨损体积（macrowear volume）为0.0023 mm³。

结论：旋转微磨耗不同于与轴向–侧向加载相关的“经典”凹坑和划痕。研究结果为解释弯曲微划痕（curved microscratches）提供框架，并为未来研究提供基础。更广泛而言，这些结果有助于改进牙微磨耗模型，并为生物材料科学和人类学提供新见解。

论文解读：旋转力诱导人牙釉质磨损的独特机制与模式

研究背景：牙釉质（enamel，牙冠外层高度矿化组织）缺乏自我修复能力，依靠各向异性（anisotropic）、异质性（heterogeneous）分级结构（hierarchical structure）抵抗咀嚼中的高、低循环力；但多轴（para）咀嚼力仍可导致断裂和磨损，影响功能与寿命。牙微磨耗（dental microwear，牙表面微观磨损痕迹）在人类学中可反映人群文化、行为和生态。传统体外（in vitro）磨损研究多采用轴向（压缩）与侧向（剪切）力组合，能再现“经典”凹坑（pits）和划痕（scratches），但未涵盖体内（in vivo）加载复杂性。下颌肌可产生旋转运动，考古记录中的弧形/弯曲微划痕提示旋转分量可能重要；然而，隔离旋转诱导牙釉质损伤的基础体外研究不足。已有双轴试验多用于合成修复材料，而非天然牙釉质。因此，研究人员开展初步体外研究，模拟轴向–旋转接触，分析损伤机制，以改进牙微磨耗解释并服务现代牙科。

研究开展与结论意义：研究人员对最小制备的人咬合面牙釉质试件施加循环压缩（50 N）与旋转（30°）接触，N=1、10³、10⁴，并表征损伤。结论是旋转力产生不同于轴向–侧向加载的独特微观损伤模式，随循环数增加发生准塑性（quasi-plastic，局部不可逆变形）至脆性（brittle，无显著塑性变形的断裂）损伤转变，磨损模式为磨蚀（abrasion，微凸体/磨粒造成材料去除）；10⁴次循环后宏观磨损体积0.0023 mm³。意义在于为解释弯曲微划痕（curved microscratches）提供框架，改进牙微磨耗模型，并为生物材料科学与人类学提供新见解。

关键技术方法（≤250字）：样本来源：经Universidad de Extremadura生物伦理委员会授权（Registro 257/2025），遵循《赫尔辛基宣言》，第三磨牙由健康成人捐赠至当地诊所（CICOM, Centro de Implantología Cirugía Oral y Maxilofacial, Badajoz, Spain），n=3。试件包埋、磨平并抛光至约2–3 mm直径牙尖平面，去除量约100 μm，微硬度3.5–4.5 GPa预筛。用全电测试机（1 kN载荷传感器）和12.7 mm氧化钇稳定氧化锆球进行循环接触：3 N预载、升至50 N、加载旋转+30°、卸载、空载旋转?30°回位，频率1 Hz；每颗牙在不同抛光牙尖上各进行1、10³、10⁴次循环测试。以光学显微镜、环境扫描电子显微镜（FE-SEM）和共聚焦显微镜（confocal microscopy）表征；由过磨损疤中心的两条正交二维轮廓积分估算磨损体积。

结果（3 Results）：通过光学显微镜比较循环数可见，随N增加，磨损疤尺寸增大。N=1时损伤仅为环状裂纹（ring cracks，围绕接触区扩展的环状裂纹），裂纹多沿较弱的柱间鞘（interrod sheaths）轮廓偏转约5 μm。N=10³时出现弧状沟槽（arc-like grooves，与旋转方向一致的弧形磨痕），宽约1–5 μm，弧长较短，约跨30°旋转，路径较直；高倍FE-SEM显示釉柱结构在疤内仍可见，沟槽横切釉柱而非沿柱间鞘扩展，疤外未见沟槽。N=10⁴时出现涂抹层（smear layer，磨屑压实薄层）、与旋转一致的弧状沟槽、无优势方向宏观裂纹及大小不一的凹坑，凹坑可达数十μm；清洁后疤外仍有微米级碎屑，表明材料去除；共聚焦显示表面粗糙不规则，最大深度约9 μm，磨损体积0.0023 mm³，疤直径约700 μm。高倍SEM显示涂抹层厚度不均、脆性，含随机微裂纹，微裂纹不偏好特定微结构；涂抹层移除处为粗糙凹坑，残留物经压碎和碎裂。这些说明旋转接触导致磨蚀磨损，损伤模式随循环数发生转变。

讨论总结：原文指出，牙微磨耗研究受设备限制而偏重简化压缩/侧向加载，但下颌与牙齿运动学可产生旋转；考古和化石中的弯曲划痕提示应纳入旋转分量。该研究首次体外模拟含旋转分量的多轴循环接触；30°高于生理值，目的是增强损伤信号、识别机制，优先重复性与敏感性而非严格生理真实性。损伤比纯轴向或侧向复杂：初始环状裂纹可能源于赫兹接触（Hertzian contact，球-平面接触应力场）边缘拉伸，并沿柱间鞘扩展，属相对良性；弧状沟槽可能源于接触微凸体（contact asperities，表面微尺度凸起接触点）反复加载后的磨蚀，伴随塑性/准塑性变形；随后磨屑被压碎再分布形成更脆的涂抹层，裂纹合并导致剥落/凹坑。外部润滑会抑制涂抹层形成，本研究低湿无有效外部润滑可能对应口干症等最坏情形。旋转磨损体积低于轴向–侧向加载（0.030 mm³），高于纯轴向（0.0009 mm³），并低于现代牙科玻璃陶瓷如锂基（0.0035 mm³）；磨损疤约700 μm直径、约9 μm深，不会构成病理磨损。原文强调不能量化旋转力幅度，只能判断其存在和潜在频率；未来需更多样本、10⁵及更高循环、S-N关系、第三体颗粒（third-body particles，接触界面间外来/磨屑颗粒）、唾液润滑及磨损–侵蚀联合作用；牙微磨耗纹理分析（DMTA）不记录单个特征，但弯曲划痕可能影响各向异性等指标。

研究结论（第5 Conclusions）翻译：1）旋转力在牙釉质中产生独特微观损伤模式，不同于与轴向–侧向加载相关的“经典”凹坑和划痕。2）损伤程度随旋转加载循环次数增加而增加，呈现两次相继的损伤模式转变：（i）从环状裂纹到弧状沟槽；（ii）从弧状沟槽到涂抹层广泛凹坑化。3）磨损模式为磨蚀，主要微磨耗机制为接触微凸体处塑性/准塑性变形（导致沟槽化）以及涂抹层断裂和剥落（导致凹坑化）。4）10⁴次循环后，宏观磨损变得明显，其幅度低于轴向–侧向加载产生的磨损，但高于可比条件下纯轴向加载产生的磨损。5）旋转力在咀嚼过程中显然会发生。研究应开始记录其存在，并开始探究其与文化、行为和生态的关系。