牙科中的化学

人的一生伴随着牙齿的萌发与凋落，牙齿的好坏与健康状况息息相关。众所周知，牙齿是人体最坚硬的部分，老子曾用“舌存齿亡”来思辨“强”与“弱”的关系，外表刚强的牙齿其实也有很多弱点，除了硬碰硬的机械损伤，龋齿、牙痛等对很多人来说，都是噩梦般的存在。牙齿如此坚硬，为什么还会产生孔洞呢？近来，美国化学会（ACS）旗下C&EN推出了关于牙科化学的画报，让我们一起普及一下牙科中的化学常识。

图片来源：ACS C&EN

大家对牙齿的结构都不陌生，从外到内依次为牙釉质、牙本质、牙骨质、牙髓等，其中牙釉质和牙本质的组分如表1所示。牙釉质的主要化学成分是羟基磷灰石，更确切的说应该是钙缺乏的碳酸根羟基磷灰石。对咱们化学人来说，任何华丽的词藻都不如分子式直观，牙釉质的主要矿物成分为Ca_10-xNa_x(PO₄)_6-y(CO₃)_z(OH)_2-uF_u，与经典的磷灰石结构Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂相比，结构特点一目了然。其中阳离子中钙是部分缺失的，用10-x表示，约1%被其他元素代替，如钠、钾、镁等，其中钠是主要成分。阴离子中，除羟基可以被F离子取代外，另外一种主要取代基是碳酸根。正是碳酸根的存在，提高了牙釉质的酸溶性。牙本质和牙釉质的化学组分类似，但碳酸根含量更高，酸溶性也更高。

酸和螯合剂

在这炎炎夏日，来一杯冰镇的可乐或鲜榨的果汁，清凉解渴，神清气爽，不可谓不过瘾。当这些酸甜的饮料入口后，在刺激味蕾的同时，其中的一些成分就开始以各自的途径侵蚀牙釉质了。表2列出了常见饮料的酸性组分，其中可乐由于含磷酸pH值更低一些。

让我们回归到牙釉质的本质——化学成分，一切关于牙釉质侵蚀的问题（如蛀牙等）就可以看的清清楚楚。牙釉质的化学组成决定了酸是牙釉质的天敌，酸电离出的质子会直接结合无机矿物质中的羟基、碳酸根和磷酸根，使它们从晶体结构中溶出，生成小孔。如方程式所示：

图1. 牙釉质（Enamel）、羟基磷灰石（HAP）和氟磷灰石（FAP）的溶解度曲线

溶解度曲线能清晰地解释酸的侵蚀能力，如图1所示：T_Ca和T_p代表溶液中总钙浓度和总磷浓度。以酸性物质侵蚀牙釉质表面的无机矿物质晶体结构时，pH值范围在4.5-7.3之间为例。第1步，牙釉质在pH 4.5时，溶解度增大，开始溶解出钙离子和磷酸根离子；第2步，当溶液中的钙离子和阴离子达到平衡时，溶解过程结束；第3步，口腔中的唾液冲洗牙釉质表面，使pH值重新回到7.0，溶解度变小；第4步，这时如唾液中含有氟离子，表面柔软的牙釉质会得到修复，至少部分形成的矿物质表面接近氟磷灰石，需要更低的pH值才能溶解，如果不含氟，回到牙釉质的溶解度曲线。

图2 柠檬酸根络合钙离子

除酸性物质电离出的质子外，酸根阴离子如果可以络合或结合钙离子，会对牙釉质造成额外的伤害。以饮料中常见的柠檬酸为例，除质子外，柠檬酸根与钙离子络合使其从晶体结构中流失（如图2所示），进一步造成牙釉质的侵蚀，达成“两连击”。

生物膜和牙菌斑

从牙齿萌生出来的那一刻起，其表面就会生成一层生物膜，起初是唾液蛋白和脂质粘附在牙齿表面。唾液蛋白是富酪蛋白，也含脯氨酸、组氨酸等，它和磷脂组成最初的生物膜，这层膜可以保护牙釉质免受酸的侵蚀。继而各种细菌等微生物开始生长繁殖，在这层膜上生成牙菌斑，细菌从口腔中的食物残渣中获得营养，它们会从糖类代谢中产生有机酸，如丙酸、乳酸等，继而侵蚀牙釉质。除此之外，这些细菌及其代谢产物还会引起其他口腔问题。

氟对抗龋齿

得益于各种牙膏的广告作用，含氟牙膏发扬光大。在非高氟地区（高氟区易患氟斑牙）使用含氟牙膏，刷牙时氟释放出来，一方面氟离子取代牙釉质中羟基磷灰石中的羟基生成氟磷灰石，有效的抵抗酸性物质；另一方面氟化物可以促进牙齿表面矿物质的沉积，使早期龋齿再矿化，修复牙釉质。氟的活性成分通常为氟化钠、氟化亚锡或单氟磷酸钠。

牙齿修复材料

早期，牙医用银汞齐填补牙齿，组分为水银（45-55%）、银（22-32%）、锡（12-30%）、铜（12-24%），由于调制时使用到水银可能会引起健康及环境问题，这种方法逐渐退出历史舞台。现在的主流修复材料是复合树脂，最常用的组分是Bis-GMA，由双酚A（BPA）和甲基丙烯酸缩水甘油酯（glycidyl methacrylate）在紫外光下聚合。

牙齿美白

从古至今，白始终是衡量牙齿的审美标准之一。《诗经·卫风·硕人》形容美女庄姜“齿如瓠犀”，宋玉《登徒子好色赋》中大赞东家之子“齿如含贝”，东方朔直接自评为“目如悬珠，齿若编贝”。晶莹洁白、整齐均匀的牙齿令人向往，于是有了美白牙膏，牙医也适时推出牙齿美白。美白牙膏中含有如硅或氧化铝的磨料通过物理摩擦除掉牙齿表面的粘附物。牙医通常会用过氧化氢或者漂白剂，例如过氧化脲，分解产生过氧化氢，进行化学漂白。

友情提示：关爱牙齿，不能只靠益达，更需要自己的珍爱和良好的生活习惯。牙齿有问题，应该去正规的口腔医院，找专业牙医。

参考文献：

1. Lussi A (ed): Dental Erosion. Monogr Oral Sci, Basel. Karger, 2006, Vol 20, pp 66-76.

2. http://cen.acs.org/articles/94/i24/Periodic-Graphics-chemistry-dentistry.html