多尺度下人牙釉質微觀結構特性觀察

牛 林,張 輝,董少杰,王譯婕,鄒 蕊1,*

(1西安交通大學口腔醫(yī)學院陜西省牙頜面疾病臨床研究中心,西安 710004;2西安交通大學口腔醫(yī)院修復科;3西安交通大學口腔醫(yī)院正畸科;*通訊作者,E-mail:rainy@mail.xjtu.edu.cn)

多尺度下人牙釉質微觀結構特性觀察

牛 林1,2,張 輝2,董少杰2,王譯婕3,鄒 蕊1,3*

(1西安交通大學口腔醫(yī)學院陜西省牙頜面疾病臨床研究中心,西安 710004;2西安交通大學口腔醫(yī)院修復科;3西安交通大學口腔醫(yī)院正畸科;*通訊作者,E-mail:rainy@mail.xjtu.edu.cn)

目的 闡明人牙釉質微米、納米尺度下的微觀結構特點并結合理論探索其對力學性能的影響。 方法 選取外科拔除的完整下頜第三磨牙,環(huán)氧樹脂包埋后用低速精密切割機制備厚度為1 mm的縱切和橫切片狀樣本,經拋光或離子減薄后,分別用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察牙釉質微觀結構。 結果 微米尺度下,牙釉質的微結構隨其部位不同呈現明顯的變化,接近釉質表面的部位,釉柱相互之間結合緊密,平行排列,而接近釉牙本質界釉柱則縱橫交錯排列;納米尺度下,釉柱頭部磷灰石晶體平行排列,擇優(yōu)取向優(yōu)于尾部晶體,釉柱鞘處為頭尾的交界區(qū)域。 結論 無論在微米還是納米尺度下,隨著部位變化,牙釉質均表現出顯著不同的微觀結構,并由此決定著不同部位牙釉質的不同力學性能。

牙釉質; 多尺度; 微觀結構; 力學性能

牙釉質是覆蓋牙冠表面約2 mm厚的薄層結構,是人體最硬的生物組織,由無機相和有機相組成,其中無機部分占重量的95%-96%,有機部分大約占1%,其余的3%為水。牙釉質作為牙體組織的表面層,承擔和傳遞著各種咬合應力,具有優(yōu)異的力學性能。早期釉質力學性能的相關研究主要建立在牙釉質為各向同性材料而且各部位力學性能一致的基礎之上,然而隨著研究不斷深入,發(fā)現不同部位的牙釉質力學性能并不完全一致。牙釉質從咬面到釉牙本質界表現出不同的力學性能,呈現出梯度變化的特點[1,2]。有研究表明牙釉質的彈性模量和硬度在牙尖表面高于牙齒鄰面,咬面高于軸面;同時牙釉質不同深度也表現出不同的力學性能,咬面釉質的硬度和彈性模量明顯大于釉牙本質界處釉質[3-6],不同部位釉質的力學性能與釉柱的排列方式有關[7-9],而由于組成釉柱的羥基磷灰石晶體在納米尺度的排列不同,釉柱的不同部位也表現出力學性能上的差異性。釉柱頭部的硬度和彈性模量明顯高于尾部,同時釉柱的彈性模量和硬度遠高于釉柱鞘部位[10-13]。由此可見,牙釉質的力學性能與釉柱的部位、分布以及釉柱中羥基磷灰石晶體的排列方向密切相關。本研究運用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察牙釉質在微米尺度及納米尺度下的微觀結構,并結合文獻理論從牙釉質的部位及釉柱和晶體的排列、分布的角度探索微觀結構與力學性能的關系,為類牙釉質仿生生物材料的研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 主要材料和儀器

低速精密切割機(ISOMET1000,Bucheler,美國);自動拋光機(Automat 250,Bucheler,USA);光學顯微鏡(keyence,日本);離子減薄儀(Fischione1010型離子減薄儀,美國);丙酮等(均為分析純)。

1.2 樣本選擇及處理

實驗選擇西安交通大學口腔醫(yī)院外科因治療需要而拔除的完整的下頜第三磨牙10顆(年齡20-35歲)。將天然牙清洗后,用環(huán)氧樹脂包埋成約1.5 cm×1.5 cm×2.5 cm立方體,在包埋過程中將牙齒平放,保證牙體長軸與模具表面平行。用低速精密切割機分別獲得牙體組織縱切樣本和面牙釉質的橫切樣本各5個,厚度為1 mm,切割過程中持續(xù)噴灑冷卻液避免樣本溫度過高。利用自動拋光機對切割的片狀樣本進行分步拋光,采用9 μm,3 μm,1 μm金剛石懸濁液逐步進行,以獲得光滑的觀察面進行電子顯微鏡觀察。

1.3 牙釉質多尺度微觀結構觀察

1.3.1 微米尺度微觀結構觀察 將所制備的牙釉質縱切樣本及面牙釉質橫切樣本拋光完成后,超聲清洗5 min,吹干后,真空干燥噴金,掃描電鏡觀察其微米尺度微觀結構。縱切樣本從咬面到釉牙本質界分為A、B、C、D四個點逐步觀察其微觀結構(見圖1),橫切樣本主要觀察牙釉質釉柱的結構。

圖1 牙釉質縱切樣本不同觀察部位示意圖Figure 1 The diagram of different observation points of human enamel longitudinal sections

1.3.2 納米尺度微觀結構觀察 牙釉質縱切片拋光完成后,在光學顯微鏡下觀察樣本表面釉柱的排列方向,選取釉柱均勻平行排列的區(qū)域為透射觀察區(qū)進一步制備樣本,同時制備牙釉質橫切樣本的透射電鏡觀察樣本。首先將樣本切成2 mm×2 mm小塊,丙酮溶液中超聲清洗15 min取出干燥后,粘固于模具上機械減薄至80 μm,然后用離子減薄儀減至10-15 μm左右,利用透射電子顯微鏡進行納米微觀結構觀察。

2 結果

2.1 微米尺度微觀結構觀察

微米尺度下牙釉質的微觀結構隨其部位不同呈現出顯著差異。在接近釉質表面的部位,釉柱晶體平行排列,相互之間結合緊密(見圖2A);隨著觀察部位的下移,視野中無法觀察到釉柱的完整縱剖面,逐漸出現釉柱的斜向截面,可見釉柱的排列產生了相互交錯,并且這種交錯在空間上呈現出多向性,這與釉柱從釉牙本質界到釉質表面的發(fā)散式排列方式有關(見圖2B);繼續(xù)下移,可見釉柱的排列仍然呈現相互交錯，而且交錯角度明顯增加,可見部分釉柱的橫截面(見圖2C);在釉牙本質界區(qū)域,即釉柱的起點,其排列雜亂無序,可見釉柱的橫斷面及許多凹陷和突起,該部位即為釉柱的起始部位,是釉牙本質界向釉質的過渡區(qū)(見圖2D)。由此可見,釉柱自釉質牙本質界至牙表面的行程并不完全呈直線,近表面l/3較直,而內2/3彎曲。微米尺度下牙釉質的橫斷面微觀結構呈球拍樣,有較大的頭部和一個較細長的尾部,相鄰釉柱均以頭尾相嵌形式排列。釉柱的直徑平均為4-6 μm(見圖2E、2F)。

圖2 牙釉質不同部位微米尺度微觀結構Figure 2 The microscale microstructure at different positions of human enamel

2.2 納米尺度微觀結構觀察

透射電鏡觀察可以發(fā)現納米尺度下釉柱中磷灰石晶體直徑約100-200 nm,在釉柱頭部和尾部排列不同。圖3A為釉質的無機相-羥基磷灰石晶體,可見磷灰石晶體相互平行排列,幾乎沒有交叉;從晶體的電子衍射圖可見,磷灰石晶體的002衍射環(huán)出現對稱的短弧型強衍射斑(見圖3B),表明晶體沿長軸方向有明顯的擇優(yōu)取向,因此,在釉柱頭部,磷灰石晶體的礦化形成、組裝過程中具有很強的方向性。而釉柱尾部的晶體排列則呈現出明顯的不同,釉柱晶體在尾部區(qū)域呈彎曲排列,從釉柱中心方向彎曲排列朝向釉柱邊緣,和相鄰釉柱的頭部相互接觸(見圖3C)。從晶體的電子衍射圖可見磷灰石晶體的002衍射環(huán)成一圓環(huán)形(見圖3D),說明此區(qū)域中磷灰石晶體生長方向擇優(yōu)取向不明顯。在一個釉柱尾部與相鄰釉柱頭部的兩組晶體相交處呈現參差不齊的增寬間隙,稱為釉柱鞘(見圖3C),它構成了釉柱頭部清晰的弧形邊界,這也許是釉柱鞘力學性能低的原因之一。

圖3 釉柱納米尺度下磷灰石晶體排列及電子衍射Figure 3 The HA crystal arrangement of enamel rods on nanoscale and electron diffraction

3 討論

牙釉質的發(fā)育過程是自然界生物礦化的典范,其釉質晶體的發(fā)生、成長和機化受到釉原蛋白的調控,是由相關基因序列編碼決定的。在牙釉質的發(fā)育早期,成釉細胞新分泌的基質中蛋白含量較高,釉原蛋白在釉質晶體的礦化和成熟過程中發(fā)揮著重要作用,影響著晶體最終的排列及組成。晶體的排列決定了釉柱的方向,同時晶體及釉柱的排列也影響著納米及微米尺度下釉質的微觀和宏觀力學性能[14]。有研究表明釉質表面硬度大于6 GPa,彈性模量大于115 GPa,而在釉牙本質界附近,其硬度小于3 GPa,彈性模量小于70 GPa。釉柱頭部的硬度為4.3 GPa,彈性模量為88 GPa,而其尾部的硬度為3.7 GPa,彈性模量為80.3 GPa。釉柱鞘硬度則為1.1 GPa,彈性模量為39.5 GPa[4,13]。

根據本實驗掃描電子顯微鏡觀察結果,發(fā)現釉柱在牙釉質不同部位表現出不同的排列特點：在接近面的部位,釉柱互相平行并垂直于牙齒表面排列,具有較強的方向性;而在接近釉牙本質界部位,釉柱的方向性較差,排列無規(guī)律,這種排列上的差異性導致釉質表面與釉牙本質界處的力學性能有所不同,從而使釉質表現出力學性能的各向異性。由此分析,牙釉質的釉質排列差異與咬功能密切相關。接近面釉柱整齊排列并垂直于牙齒表面,其硬度達到6.3 GPa,更有利于咬力的支撐和傳遞,而隨著釉柱向釉牙本質界的移行,釉柱排列逐漸交錯,界面處交錯更加明顯,力學性能下降,硬度僅為釉質表面的一半,有利于力的多向傳遞及逐步消散,而接近釉牙本質界的釉質,交錯程度明顯增加使力傳遞方向由垂直逐漸轉換為平行于界面,減小釉牙本質界所承受的力,避免釉質折裂和剝脫。在納米尺度上,釉質的自組裝即釉柱晶體排列也呈現出很強的規(guī)律性,透射電子顯微鏡實驗結果表明,在釉質頭部,磷灰石晶體在礦化形成、組裝過程中均具有很強的方向性,這一微觀結構特性解釋了釉柱頭部硬度及彈性模量更大的原因。釉柱頭部和尾部晶體的不同排列影響著其力學性能,晶體相互平行、排列緊密的釉柱頭部,硬度和彈性模量均大于晶體相互交錯、排列疏松的尾部,其硬度和楊氏模量均比尾部高10%左右,釉柱鞘由于蛋白含量較多,同時是兩個釉柱相互接觸的部位,其力學性能明顯降低,釉柱頭部的硬度是釉柱鞘的4倍,楊氏模量是釉柱鞘的2倍[13]。本實驗從釉質不同部位力學性能的差異性出發(fā),以掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡為工具,對釉質不同部位的顯微結構進行分析比對,研究不同部位、不同深度釉質的微觀結構變化,嘗試從微觀結構解釋力學性能的不同特點。通過對實驗結果的分析,可以得出結論,無論在微米還是納米尺度下,隨著部位變化,牙釉質均表現出顯著不同的微觀結構,這正是不同部位牙釉質具有不同力學性能的結構基礎,同時也是健康牙齒可承受巨大咬合力的主要原因。因此,本實驗的結果可為牙體修復材料及類牙釉質仿生材料的研究提供新的思路和實驗參考。

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Themicrostructurepropertiesofhumanenamelonthemulti-scale

NIU Lin1,2,ZHANG Hui2,DONG Shaojie2,WANG Yijie3,ZOU Rui1,3

(1ShaanxiProvinceClinicalReaserchCenterforDentalandMa-xillofacialDiseases,StomatologyHospitalofXi’anJiaotongUniversity,Xi’an710004,China;2DepartmentofProthodontics,StomatologyHospitalofXi’anJiaotongUniversity;3DepartmentofOrthodontics,StomatologyHospitalofXi’anJiaotongUniversity;*Correspondingauthor,E-mail:rainy@mail.xjtu.edu.cn)

ObjectiveTo clarify the microstructure properties of human enamel on the micro- and nano-scale and analyze its effects on the mechanical properties.MethodsThe intact extracted maxillary third molars were embedded using epoxy resin and cut by the precision cutting machine. The thickness of transverse and longitudinal sections was 1 mm. The samples were observed using scanning electron microscope and transmission electron microscope after polishing or ion thinning.ResultsUnder micro scale, the microstructure of enamel varied from the occlusion surface to the dentin-enamel junction. The rods arranged parallel to each other on the surface and the rods intercrossed on the dentin-enamel junction. Under nano scale, the hydroxyapatite(HA) crystals arrangement of head rods had better directionality than that of tail rods.ConclusionUnder different scales, the enamel has diverse microstructures at the different location and it could affect the mechanical properties of tooth enamel.

enamel; multi-scale; microstructure; mechanical properties

R783

A

1007-6611(2017)10-1075-04

10.13753/j.issn.1007-6611.2017.10.022

國家自然科學基金青年項目(81100787);陜西省社會發(fā)展科技攻關項目(2016SF-236)

牛林,男,1978-11生,博士,副教授,E-mail:niulin@mail.xjtu.edu.cn

2017-07-03