生物废弃物来源的鱼骨、牛骨及牛牙转化羟基磷灰石用于牙釉质再矿化

《Frontiers in Oral Health》：Bio-waste-derived hydroxyapatite from fish bone, bovine bone, and bovine teeth for enamel remineralization

　　

目的：探究煅烧鱼骨、牛骨及牛牙能否转化为具有生物活性的羟基磷灰石（hydroxyapatite, HAp）粉末，以及这些材料作为浆料能否促进牙釉质再矿化。本研究的新颖性在于首次将生物废弃物来源的牛骨与牛牙粉末制备成羟基磷灰石，并用作脱矿牙釉质的再矿化剂。方法：将84颗人前磨牙釉质标本分为7组（n=12）。对煅烧生物废弃物材料进行理化表征。实验组分别用鱼骨（FiB）、牛骨（BoB）、牛牙（BoT）制备的浆料处理，对照组包括 Tooth Mousse（TM）、脱矿釉质、未保护釉质及健康釉质。再矿化效果通过扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDX）和原子力显微镜（AFM）评估。结果：表征确认形成类羟基磷灰石结构，Ca/P摩尔比1.55–1.64，介孔结构（10–20 nm），结晶度各异。实验组钙含量及Ca/P比显著高于阴性对照（p<0.05），接近TM组与健康釉质。SEM显示处理组釉质表面更平滑、晶体沉积清晰，BoT组孔隙更少、表面更均匀。AFM显示BoT与TM组表面粗糙度显著降低（p<0.05），如TM组Sq值由33.6 nm降至10.2 nm。结论：煅烧生物废弃物衍生的HAp材料可改善釉质再矿化，其中牛牙来源HAp综合表现最佳。

研究背景与立项依据

牙釉质脱矿早期表现为白垩斑病变（white spot lesions, WSLs），若不及时干预可进展为龋洞，龋病是全球高发疾病。传统再矿化材料如磷酸三钙（tricalcium phosphate, TCP）、无定形磷酸钙（amorphous calcium phosphate, ACP）、酪蛋白磷酸肽-无定形磷酸钙（casein phosphopeptide-amorphous calcium phosphate, CPP-ACP）等虽有效，但存在耗时、成本高、生态负担重等问题。近二十年来天然源磷酸钙（calcium phosphate, CaP）因环保低耗受到关注，鱼骨、牛骨及牛牙等生物废弃物富含钙磷，经煅烧可转化为羟基磷灰石（HAp），但既往研究多停留于材料提取，尚未将其作为再矿化剂应用于脱矿人釉质。研究人员由此开展体外研究，首次将牛骨、牛牙煅烧粉体用作釉质再矿化浆料，并以商业产品Tooth Mousse（TM）为阳性对照，验证其矿物恢复与表面修复潜力，论文发表于《Frontiers in Oral Health》。

主要技术方法概括

研究人员收集正畸拔除人前磨牙84颗，剔除裂纹龋坏后制备2 mm釉质片，乳酸酸蚀（pH 4.5，96 h）建立早期脱矿模型，随机分7组（FiB、BoB、BoT、TM阳性对照、未保护脱矿、单纯脱矿、健康釉质），每组的SEM/EDX与AFM亚组各6例。生物废弃物取自本地海鲜店与屠宰场废料，经清洗、煮沸、丙酮脱脂、粉碎后分别煅烧（鱼骨950 ℃/2 h，牛骨750 ℃/6 h，牛牙735 ℃/1 h+1000 ℃/1 h）。粉体与无氟再矿化液按1:3调浆，微刷涂布5 min，交替浸入再矿化液（21 h）与脱矿液（3 h）循环10天。材料表征联合傅里叶变换红外光谱（FTIR）、能谱仪（EDX）、X射线衍射（XRD）、差示扫描量热法（DSC）、Brunauer-Emmett-Teller（BET）比表面与介孔分析、扫描电镜（SEM）；釉质评估用SEM/EDX测元素组成、AFM测Sq/Sa粗糙度，统计采用Shapiro-Wilk正态性检验后行ANOVA/Tukey或Kruskal-Wallis检验（p<0.05为显著）。

研究结果

生物活性材料表征

FTIR在1090–960 cm^?1检出PO₄^3?带，569/601 cm^?1为非磷灰石酸磷，580/631 cm^?1提示CO₃^2?取代，3445–3570 cm^?1残留N–H/C=O，确认三类材料均成类HAp相。EDX显示FiB、BoB、BoT的Ca/P摩尔比分别为1.56、1.55、1.64，含Si、Mg、Al等痕量元素。XRD比对JCPDS 09-0432证实主相为HAp，FiB、BoB、BoT晶粒度83.2、59.9、52.5 nm（Scherrer方程），BoT峰宽最大、结晶最小。DSC中BoT相变约340 ℃最低，热稳定性最弱。BET显示FiB与BoT比表面1–2 m²/g、BoB仅0.3 m²/g，孔径10–20 nm属介孔，IV型等温线伴迟滞环。SEM见FiB多孔不规则（平均粒径450.34±68.40 nm）、BoB致密颗粒（551.03±28.17 nm）、BoT均匀半烧结晶聚体（549.93±17.08 nm）。

生物材料对釉质组成与表面特征的影响

EDX显示实验组釉质面Ca%显著高于未保护脱矿组（p<0.05），Ca/P比升至约2.24–2.42，与TM及健康釉质无差异（p>0.05），表明矿物选择性沉积。SEM（×2000）见脱矿阴性对照深孔密布，FiB组不规则晶簇、BoB组立方状大晶、BoT组排列规整均匀晶层，TM组最平滑均一。AFM中FiB、BoB的Sq/Sa前后变化不显著（p>0.05），BoT组Sq、Sa显著下降（p=0.03/0.04），TM组Sq由33.62±12.3 nm降至10.2±6.01 nm；未保护组脱矿后Sq由23.83±14.7 nm飙至71.53±54.2 nm。

讨论部分总结

研究人员指出较小晶粒（BoT 52.5 nm）伴高FWHM意味着低结晶与高表面能，在水相中更易释Ca/P离子；FiB、BoT较高BET面积利于流体接触与离子释放；介孔10–20 nm便于唾液渗入形成局部过饱和。BoT因晶粒细、介孔发达、表面积适中、热稳定性偏低及缺钙组成，离子动力学最优，故矿物增益与粗糙度改善并重。FiB、BoB主要处再矿化早中期，BoT接近TM的晚期均质填充但未超越TM。研究局限在于纯体外pH循环未涵盖生物膜、动态唾液与长期磨损，未测微硬度与结合强度，颗粒未纳米级分级，缺体内验证。

结论翻译

本研究表明热煅烧生物废弃物（FiB、BoB、BoT）可转化为具适宜Ca/P比的类羟基磷灰石材料并促进釉质再矿化；实验组中BoT在矿物获得量与表面平滑度上改善最显著，FiB与BoB主要反映再矿化初期阶段，商业剂TM粗糙度降幅最大。结果证明煅烧生物废弃物可作为环保、低成本再矿化替代源，尤其适用于早期釉质脱矿管理。