2022-04-17 18:44
韦博鑫
中国科学院金属研究所 国家金属腐蚀控制工程技术研究中心
牙齿帮助一个人用嘴吃饭、说话、微笑,并塑造我们的脸型。每当我们微笑、皱眉、说话或吃饭时,我们都会用牙齿。我们的牙齿让我们做出不同的面部表情,形成文字,吃,喝,并开始消化过程。然而,在我们的日常生活中,有很多人都被牙齿问题所困扰,到底是谁动了你的牙齿呢?
“铁齿钢牙”
牙齿由不同的层组成——牙釉质、牙本质、牙髓和牙骨质(图1)。牙釉质位于牙齿的外侧,是牙齿的保护衣。第二层是比珐琅质软的牙本质,牙齿内部最深层是牙髓,由神经和血管组成。牙骨质位于牙根,位于牙龈下方。牙齿最外层牙釉质相当于一层铠甲可以保护我们的牙齿。人类的牙釉质极其复杂。它由紧密聚集在一起的长方形磷灰石矿物晶体组成,比你的一缕头发小一千倍。
图1. 牙齿层次结构示意图[1]
你知道牙齿是我们身体最坚硬的部分吗!根据莫氏硬度表(图2),硬度可以分为1-10级。众所周知,人体指甲较软,对应在莫氏硬度表上的位置也就较低,大概排在2.5位;钢铁对应的莫氏硬度是4-5;钻石是地球上最硬的物质,在莫氏硬度中排名第10位。令人惊讶的是,构成牙齿牙釉质的磷灰石矿物在莫氏硬度表上排名第5,这意味着你的牙釉质硬度可以达到钢铁级别,甚至比钢更硬。
那么,如果牙釉质比钢还硬,为什么我们的牙齿仍然会受到各种损伤?
图2 莫氏硬度等级分类[2]
牙齿历险记——谁破坏了你的牙齿?
虽然牙釉质比钢还硬,但不幸的是,牙齿的一生就是一场历险记。即使能够“咬钉嚼铁”的牙齿,也会因为龋齿(俗称蛀牙)变得空洞,突然遇上了暴击也可能会“折了腰”。到底是谁动了你的牙齿呢?
事实上,我们的牙釉质会随着时间的推移而受到各种损伤。腐蚀是罪魁祸首!牙齿腐蚀(Tooth corrosion)是指当牙齿表面或牙釉质受到敏感环境作用时(多为酸性环境),牙齿受到的化学损害现象。与金属腐蚀相同,引起腐蚀的必要条件包括:牙齿表面(牙釉质或牙本质)与敏感环境(酸性环境等)。我们的牙齿对酸性环境更加敏感,也就是说酸可以引起牙齿腐蚀。根据引起腐蚀的酸的来源,有两种类型的腐蚀,即内腐蚀和外腐蚀。由胃食管反流等人体内在来源性酸引起的腐蚀称为内腐蚀,特征是牙釉质表面呈半透明且薄。长期在磷酸、硝酸等化工环境工作或者摄入碳酸性饮料等引起的牙齿腐蚀是外腐蚀。据报道,饮用pH值低于5.5的饮料和食物会导致牙齿腐蚀和脱钙[3]。
其实牙齿腐蚀还有另外一个帮凶,那就是口腔微生物。口腔微生物是加速牙齿腐蚀的一个重要因素。口腔微生物腐蚀会导致我们的牙齿上出现一个小孔,这也就是蛀牙。那么,微生物是如何导致我们牙齿腐蚀的呢?图3是牙齿微生物腐蚀过程示意图。首先,从微生物角度来看,一方面,微生物需要通过生理活动维持自身能量及生长,这个过程必须摄取“食物”,他们可以以人体在食物中摄入的糖和淀粉为食,用于维持自身能量,在这个生理活动过程中会产生乳酸。另一方面,微生物群落附着在牙齿表面并形成生物膜。随着生物膜的生长,氧气的消耗会形成厌氧环境支持糖原的厌氧发酵成乳酸。口腔微生物产生的乳酸从细胞分泌到牙釉质上,然后电离。乳酸离子使羟基磷灰石晶体脱矿,导致牙齿退化。这一过程的影响包括,随着时间的推移,由酸引起的牙釉质晶体脱矿,直到细菌物理穿透牙本质。牙釉质棒是牙釉质结构的基本单位,从牙齿表面垂直延伸到牙本质。这些“酸侵蚀”的反复循环将导致牙釉质继续流失矿物质,然后被破坏,形成空洞。这也就是为什么小朋友吃过多糖会导致蛀牙的原因,根本在于牙齿腐蚀。如果你经常吃喝含有糖和淀粉的食物和饮料,就会发生这种情况。
图3 牙齿微生物腐蚀示意图[4]
腐蚀往往并不是作为单一因素引起牙齿损伤,这个过程在实际环境中更为复杂。咀嚼是我们牙齿最基本的功能之一,而这一过程中往往伴随着牙齿磨损,也就是咀嚼过程中,牙齿咬合面和邻面发生的牙釉质组织损失。腐蚀与磨损之间往往存在交互作用,腐蚀磨损是其中最为普遍且典型的一种机械和化学牙齿损伤类型。材料学家为我们解释了这一复杂过程,牙釉质的磨损腐蚀可被视为一个软化层生成的过程(图4),磨损腐蚀的磨损机制可能是分层,这对牙釉质的破坏性更大,磨损严重,牙釉质表面粗糙。这也就是说腐蚀磨损会削弱你的牙齿,使它们更容易受到损害。由于牙釉质大部分是由非生命矿物组成的,一旦失去了,牙齿没有自我愈合的能力,你的身体就无法替换它,不会形成新的牙釉质。所以,磨牙也对我们的牙齿损伤也很大。
图4. 腐蚀作用下形成的多层珐琅质结构
小小口腔,牙齿腐蚀问题不可小觑。当你的牙釉质腐蚀时,你的牙齿不仅变得更敏感,而且更容易受到疾病和创伤的影响。我们要好好保养所有的牙齿,保持良好的口腔卫生,有助于保持牙齿强壮和健康。
参考文献:
[1] Weng, Zhaoyong et al. “Giant panda׳s tooth enamel: Structure, mechanical behavior and toughening mechanisms under indentation.” Journal of the mechanical behavior of biomedical materials 64 (2016): 125-38.
[2] www.bonz-n-stonz.com.
[3] Lussi A, Schlueter N, Rakhmatullina E et al. Dental erosion—an overview with emphasis on chemical and histopathological aspects. Caries Res 2011; 45 ( Suppl 1): 2–12.
[4] Tooth decay, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Tooth_decay.