年龄变化对人牙釉质材料特性及纳观损伤机制的影响研究

Teeth health has a close relationship with the quality of peoples’ life. Teeth face different problems and risks over time. But so far, understanding of the mechanism of age related changes in enamel is still poor. Therefore, the proposed project aims to investigate the age related changes in material properties and nano damage mechanism of human dental enamel systemically from micro to nano scale. At micro scale, the ability of enamel with different age to resist erosion and fracture and their different chemical components will be analyzed. The influence rule of age related changes in enamel and the dominant factor causing these changes will be explored. At nano scale, the project will investigate the critical contact pressure to initiate plucking, deformation and refinement of enamel with different ages and explore the changes in wear volume, deformation depth and particle size varying with load. The age related changes in nano damage mechanism of enamel will be revealed. Finally, the advantages and disadvantages of structure and properties of tooth enamel with different ages will be summarized. The clinical suggestions and improvement procedures will be proposed to solve the weak links of enamel with different ages. The related research accords with the strategic requirement of improving peoples’ dental health. The results have great significance in making specific protocols for dental hygiene and clinical prevention. It can also provide bionic design guidelines for the development of new materials.

牙齿的健康与人们的生活质量息息相关，随着年龄的变化，牙齿面临着不同的问题和风险。但目前在年龄变化对牙釉质的影响机制方面的研究还不足。为此，本项目拟从微观到纳观系统开展年龄变化对牙釉质材料特性及纳观损伤机制的影响研究。微观上，分析不同年龄段牙釉质的耐酸蚀性能、抗断裂性能以及化学组份，阐明年龄变化对牙釉质材料特性的影响规律，揭示引起其差异的主导性因素；纳观上，分析不同年龄段牙釉质单个羟基磷灰石颗粒去除、变形以及细化的临界接触压力变化，探究各年龄段牙釉质磨损体积、变形深度以及颗粒大小随载荷的变化，揭示牙釉质随年龄变化的纳观损伤机制；最后，总结各年龄段牙釉质在结构性能上的优缺点，针对各个年龄段牙釉质提出解决其薄弱环节的临床建议和改善型技术措施。该项目研究符合国家提升人民口腔健康的战略需求，其研究成果不仅对牙科保健及临床防治的个性化方案制定具有十分重要的意义，同时也为新型材料的研制提供仿生设计准则。

人牙釉质作为人体内最坚硬的矿化组织覆盖在牙齿的最外层，暴露于复杂的口腔环境中，直接与各种食物颗粒相接触，相比牙齿的其他组织更容易受到外界的侵害，随着年龄的增大，其力学性能及耐酸蚀性能会发生改变。项目以各年龄段人牙釉质作为研究对象，系统开展年龄变化对人牙釉质材料特性的影响研究。本研究将搜集到的人牙分为乳牙(6-12岁)，少年恒牙(14-20岁)，青壮年恒牙(25-45岁)，老年恒牙(60岁以上)4组，通过显微硬度仪和激光共聚焦显微镜相结合对各个年龄段牙釉质进行力学性能和耐酸蚀性能测试。结果表明，乳牙牙釉质的硬度远小于各年龄段恒牙牙釉质的硬度，在恒牙牙釉质中，青壮年牙釉质维氏硬度最高，老年牙釉质次之，少年牙釉质最低；在断裂韧性方面，乳牙牙釉质断裂韧性最高，其次是青壮年牙釉质，然后是少年牙釉质，老年牙釉质最低。不同年龄段人牙釉质的不同的化学组分和微观结构造成了它们力学性能之间的显著差异。乳牙在酸蚀1min 后釉质表面产生大量的蜂窝状结构，硬度下降显著，儿童乳牙的抗酸蚀能力最弱，老年恒牙次于中青年牙釉质的抗酸蚀能力。在相同的酸蚀条件下，酸蚀对乳牙牙釉质断裂韧性的影响最大，其次是少年恒牙和老年恒牙，青壮年牙釉质受到的影响仍然最小。通过成分分析发现，中青年人牙釉质中含有的矿物质含量最高，儿童乳牙的矿化程度不够成熟，从而在酸蚀过程中更容易造成羟基磷灰石无机矿物质的流失，而矿物质流失增多使得牙釉质表面结构上的空位增多，表面致密性变差，随着酸蚀时间的延长，其表面力学性能进一步下降。研究成果不仅对牙科保健及临床防治的个性化方案制定具有十分重要的意义，对提升我国人民牙齿健康具有重要的战略意义，同时也为新型材料的研制提供仿生设计准则。