鲨鱼骨牙本质的多级管道网络与梯度矿化的三维关系

2023年7月，武汉理工大学邹朝勇研究员与湖北大学胡永明教授等在《Acta Biomaterialia》上发表了“鲨鱼骨牙本质的多级管道网络与梯度矿化的三维关系（3D relationship between hierarchical canal network and gradient mineralization of shark tooth osteodentin）”的研究成果。

图1. 鲨鱼骨牙本质矿化程度的变化：(A) 灰鲭鲨功能牙的纵切面和横切面micro-CT图；(B)牙本质的最大纵切面micro-CT三维渲染图，展示其矿化程度的变化；(C) 图B中1和2的横截面micro-CT三维渲染图；(D-E)牙本质横截面的高分辨micro-CT图和三维渲染图；(F) 一级管道的矿化程度逐渐增加。

骨牙本质是许多鱼类牙齿中主要的矿化胶原组织，具有与人类骨骼相似的结构和组织学特征。骨牙本质和骨骼一样，以骨单元作为基本的结构单元；然而，骨牙本质缺乏在骨骼形成过程中起重要调控作用的骨细胞和骨小管网络(LCN)。尽管骨牙本质中存在许多血管，但它们在牙齿成熟和基质矿化过程中的作用仍然知之甚少。本工作中，研究团队采用高分辨率微计算机断层扫描(micro-CT)和聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)等在多个尺度上获得鲨鱼牙齿中骨牙本质的三维结构信息，揭示了其在不同位置的矿化程度差异及其与多级管道结构之间的关系。

图2. 骨牙本质的一级管道网络：(A) 整颗牙齿一级管道的三维重构图；(B) 牙齿尖端一级管道的三维重构；(C) 图B中的局部放大；(D-E) 图B的骨架模型和局部放大图，红球表示节点，绿色线条表示管道；(F) 一级管道的长度分布图。

首先，管道通常是被骨单元以同心板层包围，“骨间”组织介于相邻的骨单元之间其中，这与骨骼的结构非常相似。有趣的是，矿化程度从一级管道的附近向骨间组织增加，表明牙本质的矿化开始于骨间组织。同时，骨间组织的硬度和弹性模量高于骨单元组织。其次，骨牙本质中存在一个复杂的一级管道三维网络结构，管道的直径约10µm~120µm。在此基础上，许多次级管道从一级管道向骨单元间组织呈放射状延伸，直径从约10 μm减小到数百纳米。这些研究结果表明，多级管道网络在控制骨牙本质的梯度矿化中起着关键作用。该研究为没有骨细胞和LCN的矿化胶原组织的形成提供了新视野和新见解。

该成果得到了“变革性技术关键科学问题”重点专项“生物过程启示的陶瓷材料室温制备关键科学问题”项目（2021YFA0715700）和国家自然科学基金项目（52172287、51832003）的资助。

武汉理工大学2020级硕士研究生刘转飞为文章第一作者，硅酸盐国家重点实验室牛韵雅老师为共同第一作者，武汉理工大学邹朝勇研究员、湖北大学胡永明教授为本论文的共同通讯作者。

论文信息： Zhuanfei Liu#, Yunya Niu#, Zeyao Fu, Mason Dean, Zhengyi Fu, Yongming Hu* and Zhaoyong Zou*. 3D relationship between hierarchical canal network and gradient mineralization of shark tooth osteodentin. Acta Biomaterialia, 2023, 168: 185-197.