多尺度下人牙釉质微观结构特性观察

牛 林,张 辉,董少杰,王译婕,邹 蕊1,*

(1西安交通大学口腔医学院陕西省牙颌面疾病临床研究中心,西安 710004;2西安交通大学口腔医院修复科;3西安交通大学口腔医院正畸科;*通讯作者,E-mail:rainy@mail.xjtu.edu.cn)

多尺度下人牙釉质微观结构特性观察

牛 林1,2,张 辉2,董少杰2,王译婕3,邹 蕊1,3*

(1西安交通大学口腔医学院陕西省牙颌面疾病临床研究中心,西安 710004;2西安交通大学口腔医院修复科;3西安交通大学口腔医院正畸科;*通讯作者,E-mail:rainy@mail.xjtu.edu.cn)

目的 阐明人牙釉质微米、纳米尺度下的微观结构特点并结合理论探索其对力学性能的影响。 方法 选取外科拔除的完整下颌第三磨牙,环氧树脂包埋后用低速精密切割机制备厚度为1 mm的纵切和横切片状样本,经抛光或离子减薄后,分别用扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察牙釉质微观结构。 结果 微米尺度下,牙釉质的微结构随其部位不同呈现明显的变化,接近釉质表面的部位,釉柱相互之间结合紧密,平行排列,而接近釉牙本质界釉柱则纵横交错排列;纳米尺度下,釉柱头部磷灰石晶体平行排列,择优取向优于尾部晶体,釉柱鞘处为头尾的交界区域。 结论 无论在微米还是纳米尺度下,随着部位变化,牙釉质均表现出显著不同的微观结构,并由此决定着不同部位牙釉质的不同力学性能。

牙釉质; 多尺度; 微观结构; 力学性能

牙釉质是覆盖牙冠表面约2 mm厚的薄层结构,是人体最硬的生物组织,由无机相和有机相组成,其中无机部分占重量的95%-96%,有机部分大约占1%,其余的3%为水。牙釉质作为牙体组织的表面层,承担和传递着各种咬合应力,具有优异的力学性能。早期釉质力学性能的相关研究主要建立在牙釉质为各向同性材料而且各部位力学性能一致的基础之上,然而随着研究不断深入,发现不同部位的牙釉质力学性能并不完全一致。牙釉质从咬面到釉牙本质界表现出不同的力学性能,呈现出梯度变化的特点[1,2]。有研究表明牙釉质的弹性模量和硬度在牙尖表面高于牙齿邻面,咬面高于轴面;同时牙釉质不同深度也表现出不同的力学性能,咬面釉质的硬度和弹性模量明显大于釉牙本质界处釉质[3-6],不同部位釉质的力学性能与釉柱的排列方式有关[7-9],而由于组成釉柱的羟基磷灰石晶体在纳米尺度的排列不同,釉柱的不同部位也表现出力学性能上的差异性。釉柱头部的硬度和弹性模量明显高于尾部,同时釉柱的弹性模量和硬度远高于釉柱鞘部位[10-13]。由此可见,牙釉质的力学性能与釉柱的部位、分布以及釉柱中羟基磷灰石晶体的排列方向密切相关。本研究运用扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察牙釉质在微米尺度及纳米尺度下的微观结构,并结合文献理论从牙釉质的部位及釉柱和晶体的排列、分布的角度探索微观结构与力学性能的关系,为类牙釉质仿生生物材料的研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 主要材料和仪器

低速精密切割机(ISOMET1000,Bucheler,美国);自动抛光机(Automat 250,Bucheler,USA);光学显微镜(keyence,日本);离子减薄仪(Fischione1010型离子减薄仪,美国);丙酮等(均为分析纯)。

1.2 样本选择及处理

实验选择西安交通大学口腔医院外科因治疗需要而拔除的完整的下颌第三磨牙10颗(年龄20-35岁)。将天然牙清洗后,用环氧树脂包埋成约1.5 cm×1.5 cm×2.5 cm立方体,在包埋过程中将牙齿平放,保证牙体长轴与模具表面平行。用低速精密切割机分别获得牙体组织纵切样本和面牙釉质的横切样本各5个,厚度为1 mm,切割过程中持续喷洒冷却液避免样本温度过高。利用自动抛光机对切割的片状样本进行分步抛光,采用9 μm,3 μm,1 μm金刚石悬浊液逐步进行,以获得光滑的观察面进行电子显微镜观察。

1.3 牙釉质多尺度微观结构观察

1.3.1 微米尺度微观结构观察 将所制备的牙釉质纵切样本及面牙釉质横切样本抛光完成后,超声清洗5 min,吹干后,真空干燥喷金,扫描电镜观察其微米尺度微观结构。纵切样本从咬面到釉牙本质界分为A、B、C、D四个点逐步观察其微观结构(见图1),横切样本主要观察牙釉质釉柱的结构。

图1 牙釉质纵切样本不同观察部位示意图Figure 1 The diagram of different observation points of human enamel longitudinal sections

1.3.2 纳米尺度微观结构观察 牙釉质纵切片抛光完成后,在光学显微镜下观察样本表面釉柱的排列方向,选取釉柱均匀平行排列的区域为透射观察区进一步制备样本,同时制备牙釉质横切样本的透射电镜观察样本。首先将样本切成2 mm×2 mm小块,丙酮溶液中超声清洗15 min取出干燥后,粘固于模具上机械减薄至80 μm,然后用离子减薄仪减至10-15 μm左右,利用透射电子显微镜进行纳米微观结构观察。

2 结果

2.1 微米尺度微观结构观察

微米尺度下牙釉质的微观结构随其部位不同呈现出显著差异。在接近釉质表面的部位,釉柱晶体平行排列,相互之间结合紧密(见图2A);随着观察部位的下移,视野中无法观察到釉柱的完整纵剖面,逐渐出现釉柱的斜向截面,可见釉柱的排列产生了相互交错,并且这种交错在空间上呈现出多向性,这与釉柱从釉牙本质界到釉质表面的发散式排列方式有关(见图2B);继续下移,可见釉柱的排列仍然呈现相互交错，而且交错角度明显增加,可见部分釉柱的横截面(见图2C);在釉牙本质界区域,即釉柱的起点,其排列杂乱无序,可见釉柱的横断面及许多凹陷和突起,该部位即为釉柱的起始部位,是釉牙本质界向釉质的过渡区(见图2D)。由此可见,釉柱自釉质牙本质界至牙表面的行程并不完全呈直线,近表面l/3较直,而内2/3弯曲。微米尺度下牙釉质的横断面微观结构呈球拍样,有较大的头部和一个较细长的尾部,相邻釉柱均以头尾相嵌形式排列。釉柱的直径平均为4-6 μm(见图2E、2F)。

图2 牙釉质不同部位微米尺度微观结构Figure 2 The microscale microstructure at different positions of human enamel

2.2 纳米尺度微观结构观察

透射电镜观察可以发现纳米尺度下釉柱中磷灰石晶体直径约100-200 nm,在釉柱头部和尾部排列不同。图3A为釉质的无机相-羟基磷灰石晶体,可见磷灰石晶体相互平行排列,几乎没有交叉;从晶体的电子衍射图可见,磷灰石晶体的002衍射环出现对称的短弧型强衍射斑(见图3B),表明晶体沿长轴方向有明显的择优取向,因此,在釉柱头部,磷灰石晶体的矿化形成、组装过程中具有很强的方向性。而釉柱尾部的晶体排列则呈现出明显的不同,釉柱晶体在尾部区域呈弯曲排列,从釉柱中心方向弯曲排列朝向釉柱边缘,和相邻釉柱的头部相互接触(见图3C)。从晶体的电子衍射图可见磷灰石晶体的002衍射环成一圆环形(见图3D),说明此区域中磷灰石晶体生长方向择优取向不明显。在一个釉柱尾部与相邻釉柱头部的两组晶体相交处呈现参差不齐的增宽间隙,称为釉柱鞘(见图3C),它构成了釉柱头部清晰的弧形边界,这也许是釉柱鞘力学性能低的原因之一。

图3 釉柱纳米尺度下磷灰石晶体排列及电子衍射Figure 3 The HA crystal arrangement of enamel rods on nanoscale and electron diffraction

3 讨论

牙釉质的发育过程是自然界生物矿化的典范,其釉质晶体的发生、成长和机化受到釉原蛋白的调控,是由相关基因序列编码决定的。在牙釉质的发育早期,成釉细胞新分泌的基质中蛋白含量较高,釉原蛋白在釉质晶体的矿化和成熟过程中发挥着重要作用,影响着晶体最终的排列及组成。晶体的排列决定了釉柱的方向,同时晶体及釉柱的排列也影响着纳米及微米尺度下釉质的微观和宏观力学性能[14]。有研究表明釉质表面硬度大于6 GPa,弹性模量大于115 GPa,而在釉牙本质界附近,其硬度小于3 GPa,弹性模量小于70 GPa。釉柱头部的硬度为4.3 GPa,弹性模量为88 GPa,而其尾部的硬度为3.7 GPa,弹性模量为80.3 GPa。釉柱鞘硬度则为1.1 GPa,弹性模量为39.5 GPa[4,13]。

根据本实验扫描电子显微镜观察结果,发现釉柱在牙釉质不同部位表现出不同的排列特点：在接近面的部位,釉柱互相平行并垂直于牙齿表面排列,具有较强的方向性;而在接近釉牙本质界部位,釉柱的方向性较差,排列无规律,这种排列上的差异性导致釉质表面与釉牙本质界处的力学性能有所不同,从而使釉质表现出力学性能的各向异性。由此分析,牙釉质的釉质排列差异与咬功能密切相关。接近面釉柱整齐排列并垂直于牙齿表面,其硬度达到6.3 GPa,更有利于咬力的支撑和传递,而随着釉柱向釉牙本质界的移行,釉柱排列逐渐交错,界面处交错更加明显,力学性能下降,硬度仅为釉质表面的一半,有利于力的多向传递及逐步消散,而接近釉牙本质界的釉质,交错程度明显增加使力传递方向由垂直逐渐转换为平行于界面,减小釉牙本质界所承受的力,避免釉质折裂和剥脱。在纳米尺度上,釉质的自组装即釉柱晶体排列也呈现出很强的规律性,透射电子显微镜实验结果表明,在釉质头部,磷灰石晶体在矿化形成、组装过程中均具有很强的方向性,这一微观结构特性解释了釉柱头部硬度及弹性模量更大的原因。釉柱头部和尾部晶体的不同排列影响着其力学性能,晶体相互平行、排列紧密的釉柱头部,硬度和弹性模量均大于晶体相互交错、排列疏松的尾部,其硬度和杨氏模量均比尾部高10%左右,釉柱鞘由于蛋白含量较多,同时是两个釉柱相互接触的部位,其力学性能明显降低,釉柱头部的硬度是釉柱鞘的4倍,杨氏模量是釉柱鞘的2倍[13]。本实验从釉质不同部位力学性能的差异性出发,以扫描电子显微镜和透射电子显微镜为工具,对釉质不同部位的显微结构进行分析比对,研究不同部位、不同深度釉质的微观结构变化,尝试从微观结构解释力学性能的不同特点。通过对实验结果的分析,可以得出结论,无论在微米还是纳米尺度下,随着部位变化,牙釉质均表现出显著不同的微观结构,这正是不同部位牙釉质具有不同力学性能的结构基础,同时也是健康牙齿可承受巨大咬合力的主要原因。因此,本实验的结果可为牙体修复材料及类牙釉质仿生材料的研究提供新的思路和实验参考。

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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

国家自然科学基金青年项目(81100787);陕西省社会发展科技攻关项目(2016SF-236)

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

2017-07-03