针对上述问题，英国诺丁汉大学Alvaro Mata团队设计了一种基于弹性蛋白样重组蛋白（ELR）的超分子蛋白基质，模拟牙釉质发育过程中的蛋白基质结构和功能。该基质通过在牙齿表面形成涂层，能够稳定存在并触发羟基磷灰石纳米晶体的外延生长，重建牙釉质的微结构并恢复其力学性能。研究通过实验和计算模拟验证了该技术在不同牙釉质侵蚀水平下的修复能力，包括从牙釉质到牙本质的全层修复。该文章于2025年11月4日以《Biomimetic supramolecular protein matrix restores structure and properties of human dental enamel》为题发表于《Nature Communications》（DOI:10.1038/s41467-025-64982-y）。

（1）核心理念：仿生设计，模拟釉质发育关键机制

本研究的核心在于精准模仿天然釉质发育过程。团队利用其设计的ELR分子，在钙离子（Ca²⁺）和干燥条件下，成功自组装形成富含β折叠的纤维状结构。这种人工基质在结构和功能上高度模拟了釉质发育过程中釉原蛋白（amelogenin） 的关键作用，为后续的晶体成核和外延生长提供了理想的模板。

（2）基质构建：成功制备具有矿化能力的ELR纤维

结构证实：通过SEM、TEM、WAXS、FTIR等多种技术证实，在Ca²⁺存在下，ELR分子可自组装成宽15-40 nm的纤维，其交叉β结构和4.7 Å的β链间距与发育中釉质基质的特征高度一致。机制阐释：计算机模拟揭示了Ca²⁺与ELR分子中带负电区域相互作用，驱动细丝形成并进一步组装成纤维的机制。矿化启动：该ELR纤维不仅能稳定无定形磷酸钙前体，还能引导其转化为沿纤维方向排列、尺寸与天然釉质晶体相当的氟磷灰石纳米晶体（直径~50 nm，长度~μm）（见图1a-f）。

图1.ELR纤维的形成与矿化能力。(a) 在含有1.5 mM Ca²⁺离子的1% w/v ELR溶液干燥后形成的ELR纤维的SEM图像。代表性图像来自n=5次独立实验。(b) ELR纤维的WAXS数据显示在Q=1.34 Å⁻¹和0.6 Å⁻¹处的反射，分别对应4.7 Å和10 Å。插图显示了干燥ELR纤维的WAXS检测器图像。(c) 去卷积的FTIR光谱（1600–1700 cm⁻¹）显示β-折叠的反平行排列。(d) (i) 在Ca²⁺存在下ELR分子自组装的计算模型；(ii) statherin–Ca²⁺和VPGKG–Cl⁻相互作用的径向分布函数图；(iii) 6条单独原丝自组装成1条纤维的过程。(e) 提出的ELR纤维内部分子堆积模型示意图。(f) ELR基质形成与矿化的示意图及对应TEM图像：(i) 交联ELR纤维基质；(ii) 矿化2小时后形成无定形磷酸钙（蓝色箭头）；(iii) 矿化24小时后转化为磷灰石纳米晶体（白色箭头）

（3）定向生长：ELR基质引导晶体沿c轴择优外延生长

研究证实，ELR基质能有效控制晶体生长方向。当其包裹已有的羟基磷灰石纳米晶体并矿化时，新生晶体优先沿c轴方向外延生长，这与天然釉质发育中的非经典结晶路径一致。模拟计算表明，ELR片段在晶体a轴上的结合能更高，从而从能量上促进了晶体沿c轴的择优生长，避免了无基质存在时晶体不规则生长的弊端（见图2a）。

图2.牙齿不同解剖区域的外延再矿化。(a) TEM图像显示在ELR基质中磷灰石纳米晶体沿c轴优先生长。(b) 牙齿不同解剖部位的示意图。(c) 无棱柱釉质上涂覆ELR涂层的示意图。(d) SEM图像显示在无棱柱釉质上生长的约10 μm厚磷灰石层。(e) 棱柱釉质上涂覆ELR涂层的示意图。(f) 棱柱釉质矿化前的SEM图像。(g) 棱柱釉质矿化后的SEM图像。(h) 牙本质表面涂覆ELR涂层的示意图。(i) SEM图像显示在牙本质表面生长的约5 μm厚磷灰石层

（4）全结构再生：实现从无釉柱釉质、釉柱釉质到牙本质的完整修复

在无釉柱釉质上：可再生出~10 μm厚、晶体紧密排列的釉质表层。（见图2b-d）在棱柱釉质上：能精确恢复棱柱（施格雷线的横断区和纵断区）与棱柱间的复杂结构，新生晶体从原生晶体外延生长，实现无缝整合。（见图2e-g, 图3a-e）在完全裸露的牙本质上：甚至能从牙本质表面再生出类无釉柱釉质结构，并与下方的矿化胶原纤维形成晶体学整合的界面，模拟了天然的釉牙本质界（DEJ）（见图2h-i, 图5a-e）。

图3.外延再矿化重建棱柱釉质结构并恢复功能。(a) ELR涂层及施格雷线的横断区和纵断区棱柱再矿化示意图。(b) ThT染色的ELR涂层棱柱釉质切片的CLSM图像。(c) 部分矿化釉质切片的伪彩色AFM图像。(d, e) 天然与再矿化横断区和纵断区棱柱的SEM图像。(f) 天然、酸蚀和再矿化釉质的杨氏模量与硬度。(g) 天然、酸蚀和再矿化釉质的摩擦系数。(h) 天然、酸蚀和再矿化釉质的耐磨强度

图4.矿化层与底层釉质组织的晶体学整合。(a) STEM图像显示再矿化横断区棱柱中新生与天然纳米晶体的整合。(b) TEM图像显示新生纳米晶体从天然组织延伸。(c) HRTEM图像显示新生与天然纳米晶体之间无可见边界。(d) 高倍SEM图像显示新生纳米晶体沿c轴从天然纳米晶体成核并延伸。(e) TEM图像显示纵断区棱柱上再矿化层的生长。(f) EDX图谱确认氟磷灰石晶体生长。(g) EDX光谱。(h) TEM图像显示纵断区棱柱中新生与天然纳米晶体沿c轴共排列。(i) HRTEM图像显示界面无区分边界。(j) TEM图像显示新生纳米晶体束在天然纳米晶体a轴上成核并沿c轴生长

（5）性能恢复：再生釉质力学与摩擦学性能媲美甚至优于天然组织

纳米压痕与微摩擦测试表明，再生釉质的关键性能得到全面恢复：力学性能：杨氏模量（76.3 GPa）和硬度（3.1 GPa）恢复至天然釉质水平。耐磨性：摩擦系数和比磨损率显著降低，耐磨强度（171.3 GPa）甚至优于天然釉质（153.9 GPa），这得益于再生层中更致密的晶体排列（见图3f-h, 图5f-h）。

图5.牙本质表面矿化提升力学与摩擦学性能。(a) 天然牙釉质-牙本质连接处结构示意图。(b) ELR涂层在牙本质表面矿化示意图。(c) 横截面SEM图像显示牙本质表面矿化层。(d) 低倍TEM图像显示矿化层-牙本质界面。(e) TEM图像显示矿化层与牙本质MCFs的整合。(f) 天然、酸蚀和矿化牙本质的杨氏模量与硬度。(g) 天然、酸蚀和矿化牙本质的摩擦系数。(h) 天然、酸蚀和矿化牙本质的耐磨强度

（6）晶体学整合：直接证据证实新生与原生组织无缝连接

通过FIB切割和TEM/HRTEM分析，研究提供了再生层与底层组织外延整合的直接证据：横断区域：SAED和HRTEM显示新生晶体沿原生晶体c轴生长，界面无明确边界（见图4a-d）。纵断区域：EDX图谱显示氟信号仅存在于新生区域，HRTEM与FFT证实共取向生长（见图4e-j）。

（7）稳健耐用：再生层展现出卓越的临床适用前景

为评估临床潜力，研究对再生层进行了严苛测试：抗物理磨损：经受相当于1年刷牙和3.5年咀嚼磨耗的实验后，再生层结构完整，力学性能保持稳定。抗断裂：表观断裂韧性恢复至天然釉质水平。耐酸蚀：在酸性环境中，再生层因含氟而表现出比天然釉质更高的化学稳定性（见图6a-j）。

图6.常见物理与化学刺激后的性能评估。(a) 刷牙磨损示意图。(b) 刷牙后天然与再矿化釉质的杨氏模量与硬度。(c) 牙齿断裂示意图。(d) 不同釉质样品的表观断裂韧性。(e) 咀嚼与磨耗示意图。(f) 天然与矿化釉质的体积与高度损失。(g) 天然与矿化牙本质的体积与高度损失。(h) 酸蚀示意图。(i) 酸蚀前后天然与再矿化釉质的杨氏模量与硬度。(j) SEM图像显示使用天然唾液再矿化的釉质。(k) 使用天然唾液再矿化釉质的力学性能。(l, m, n) ELR涂层在刷牙前、刷牙后（15分钟）和再矿化后的SEM图像