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纳米磷酸钙和生物玻璃对牙釉质的仿生修复

李莉  
【摘要】:近年来,生物矿化的研究表明,纳米磷酸钙材料在生物体的硬组织形成过程中具有非常重要的作用。作为脊椎动物中最重要的两种矿化组织:骨骼和牙釉质,虽然它们的功能、性质、形成过程和分级结构都有所不同,但是它们的基本无机组成单元都是纳米级别的磷灰石。在生物矿物的形成过程中,纳米尺寸的无机基本单元在生物体的调控下,在有机基质形成的框架中经过有序组装,形成具有特殊功能的生物矿物。这些无机组成单元和有机大分子之间的相互作用是生物矿化研究中一个核心的问题。本论文研究了纳米磷酸钙在牙釉质修复中的作用。研究涉及了纳米磷酸钙颗粒对牙釉质的直接修复作用:利用生物矿化的原理,发展出一种简单有效地直接使牙釉质再生的方法;最后尝试利用应用广泛的生物材料一生物玻璃来实现牙釉质结构的再生。全文共分章: 第一章简要介绍了生物矿化的基本知识,包括磷酸钙体系的生物体硬组织的结构和形成过程以及仿生矿化的概念。总结了牙釉质脱矿形成龋齿的过程和传统的牙修复材料,紧接着回顾了近年来关于牙釉质修复和重构的方法等。通过总结生物矿化的基本原理和牙釉质修复中存在的问题引出我们对这些问题的观点及相关的研究计划。 第二章研究了具有与牙釉质基本组成单元相类似的纳米羟基磷灰石(HAP)对牙釉质的修复情况。相较于普通的磷灰石和无定形磷酸钙,20nm的HAP纳米颗粒可以牢固的吸附在脱矿的牙釉质表面,并且这些颗粒会沿着釉柱的方向排列。先前的研究已经发现牙釉质的基本组成单元是尺寸在20-40nm左右的纳米羟基磷灰石颗粒,并且这些颗粒在欠饱和或酸性溶液中能保持稳定存在,根据激光共聚焦显微镜的结果表明,20nm的HAP还可以保护牙釉质表面,阻止其在酸性溶液中的继续溶解。由此提出20nm HAP颗粒存修复牙釉质和预防龋齿的发生上有很好的效果。该工作说明了磷酸钙材料具有与生物体矿化组织基本组成单元相似的尺寸在其应用上的重要性。 第三章的工作以第二章的结果为基础,利用生物矿化的基本原理,发展了一种简单有效的牙釉质结构重构的方法。我们之前的研究表明,纳米磷酸钙颗粒可以在氨基酸的调控下,自组装形成类牙或者类骨的结构。在这部分研究中,我们将吸附了20nm磷酸钙颗粒的牙釉质放入含有100mM谷氨酸的生物模拟体液中培养72个小时。实验结果表明,在纳米磷灰石颗粒和氨基酸的共同作用下,牙釉质表面可以形成一层具有良好机械性质的修复层,而且修复层具有与牙釉质类似的组装结构。在过去的工作中,人们尝试利用各种生物体蛋白质、表面活性剂或者氟离子对牙釉质进行再矿化,但是由这些添加剂参与的方法并不能提供着-种简单方便、安全、经济的修复方法。我们介绍到了一种新的仿生矿化方法,所需的材料具有非常高的生物亲和性,而且修复效果也非常明显。这一研究强调了在生物体硬组织形成过程中纳米材料和有机物调控共同作用的重要性。 第四章中,我们发展了第三章中的修复方法,利用活性生物玻璃取代之前所用的纳米磷酸钙颗粒,进一步简化了修复方法,增加了其真正的应用前景和可能。由于我们之前所使用的纳米磷酸钙颗粒的制备具有一定的难度,限制了这种方法在实际应用中的发展。而活性生物玻璃较易制备,而且具有良好的生物相容性和矿化能力,所以,我们利用生物玻璃代替纳米磷酸钙颗粒,以模拟口腔唾液为培养液,在谷氨酸的调控作用下,在牙釉质表面生长出了具有类牙结构的修复层,并且修复以后的牙釉质具有与天然牙釉质相媲美的机械性质。此外,我们还发现,谷氨酸还可以通过加快无定形磷酸钙向羟基磷灰石相转化的结晶速率实现快速修复过程,这个特性是在口腔产品中广泛使用的氟离子不具备的。在这部分内容中,我们提出了一种具有应用前景的牙釉质修复和再生的方法,重点强调了仿生方法在硬组织修复和再生中的应用。 第五章,总结了关于利用纳米磷酸钙和生物玻璃仿生修复牙釉质的创新点,还为今后的研究指出需要解决的关键问题。


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