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牙齒的琺瑯質比你想得更複雜:微量元素的分佈,如何影響蛀牙形成?

linjunJR_96
・2020/07/27 ・1985字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 545 ・八年級

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幾乎所有人都曾被蛀牙的痛苦所折磨,蛀牙也被 WHO 認證為最常見的病痛之一。這是因為包裹牙齒外層的琺瑯質雖然十分堅硬,卻無法由人體再生,因此當它被酸侵蝕,便會形成不可回復的蛀牙。

包裹在牙齒外層的構造為琺瑯質。圖/elements.envato

儘管如此重要,過去我們對於琺瑯質的了解卻十分有限。當蛀牙發生時,我們做的也只有被動地填補被侵蝕的部分。

琺瑯質的組成其實比想像中複雜。琺瑯質的主要成分是羥磷灰石(Ca5(PO4)3(OH)),佔有96%的比例。羥磷灰石可以簡單地在實驗室中合成,不過剩下的 4% 包含鎂、碳、鈉、氟等微量元素,各元素在琺瑯質晶體中並非平均散落,形成獨特的濃度分布。

圖 1 電子穿隧顯微鏡捕捉到琺瑯質中的羥磷灰石晶格。

除此之外,琺瑯質是由晶粒這種較小的單位組成(圖 2 中的長米粒狀結構),而非統一的整齊晶格。從剖面圖的顏色深淺可以發現,晶粒之間與內部呈現不均勻的化學分布。

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圖 2 掃描式電子穿隧顯微鏡所拍攝到的琺瑯質晶粒結構。右側為左側之放大剖面圖,可以看到每個晶粒的中心顏色較深。

科學家過去曾經發現晶粒的中心顏色較深,也較容易受到腐蝕。不過一個晶粒的大小不過幾十奈米,要仔細探究其中的化學組成十分困難。

高科技建功!解開琺瑯質晶粒之謎

在最新一期的 Nature 期刊中,科學家利用電子穿隧顯微鏡與原子探針斷層掃描等高端科技,對琺瑯質晶粒的化學組成做出突破性的觀測。結果顯示微量元素濃度在晶粒之間較高,在晶粒外層較低(圖 3)。

另外,晶粒中心的元素分布大致上呈現一個三明治的結構。鎂元素濃度的兩個高峰較靠外側,其他微量元素則大約在中央達到最大值。

圖 3 單一晶粒的元素分布。從上到下分別是氟、鈉、碳、鎂濃度。 灰色為晶粒間的空隙;白色為晶粒外殼;橘色為晶粒中心。

如此細微的化學成分變化似乎不是很重要,可是它對蛀牙的形成可是有重大的影響。由於不同元素的原子大小不一樣(圖 4),微量元素的加入會造成晶格本身受到拉伸或壓縮的應力。這些應力會改變局部化學鍵結的強度,進而影響該部分的可溶解性,較大的壓縮應力表示晶體更容易被溶解。

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我們可以利用圖 4 想像:一個整齊方正的框架十分堅固;而一個邊長不均、歪歪斜斜的框架相較之下不堪一擊。這些脆弱的鍵結較容易被打破,也就是說,比較容易被溶解。根據上面這些線索,或許琺瑯質晶體的元素分布可以告訴我們蛀牙會從哪裡開始!

圖 4 晶格示意圖。(左)單一元素可以形成整齊一致的晶格;(右)晶格中參入不同大小的原子。(Quanfeng He and Yong Yang, On Lattice Distortion in High Entropy Alloys)

忘記刷牙?小心晶粒酸蝕找上門

琺瑯質晶體中的正離子大多是鈣,少部分由鎂或碳等其他元素取代。利用圖 3 的測量結果,科學家知道晶粒中間的微量元素含量較高。於是便建立了一個初步的模型,模擬微量元素分布對應到晶格應力的情形(圖 5)。

模擬結果呼應了先前提到的三明治結構,晶粒中心的雙層結構受到較高的拉伸應力(圖5a 紅色),圖 5c 顯示拉伸應力和鎂含量的高峰幾乎完美對應。相反的,外殼則主要是受到壓縮應力(圖5a 深藍色)。科學家推測,顯微鏡下晶粒中央的深色線條(圖 2e)便是來自於兩塊紅色區域之間的劇烈應力起伏。

圖 5 (a) 電腦模擬單一琺瑯質晶粒的應力分布。應力的正號代表拉伸,負號代表壓縮。(b) 為 a 小圖中立方體的底部。(c)(上)電腦模擬使用的元素分布,黑色為碳,紫色為鎂。(下)應力分布。 (d) 遭到酸蝕的琺瑯質,掃描電子顯微鏡影像。白色箭號為受到侵蝕的晶粒中心。

當你忘記刷牙,琺瑯質晶粒暴露在酸性環境中,這時晶粒末端的中間部分會最先受到侵蝕,因為其受到最大的壓縮應力(圖 5b)。實際的蛀牙樣本也支持這個模擬結果(圖 5d),表示這個模型有其可信度。

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在微觀尺度下,組成牙齒的琺瑯質有著精密的分層結構。這次的研究針對琺瑯質,奠定了原子尺度的成像與測量方法,有望推動牙齒的外部強化技術。除此之外,因為堅固的琺瑯質能在遺骸與化石中存活,相關的測定技術或許還能對過往生物的生存環境做出新的推斷。

研究原文

參考資料

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linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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從「衛生紙」開始的環保行動:一起愛地球,從 i 開始
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/12/03 ・1592字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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你是否也曾在抽衛生紙的瞬間,心頭閃過「這會不會讓更多森林消失」的擔憂?當最後一張衛生紙用完,內心的愧疚感也油然而生……但先別急著責怪自己,事實上,使用木製品和紙張也能很永續!只要我們選對來源、支持永續木材,你的每一個購物決策,都能將對地球的影響降到最低。

二氧化碳是「植物的食物」:碳的循環旅程

樹木的主食是水與二氧化碳,它們從空氣中吸收二氧化碳,並利用這些碳元素形成枝葉與樹幹。最終這些樹木會被砍伐,切成木材或搗成紙漿,用於各種紙張與木製品的製造。

木製品在到達其使用年限後,無論是被燃燒還是自然分解,都會重新釋放出二氧化碳。不過在碳循環中,這些釋出的二氧化碳,來自於原本被樹木「吸收」的那些二氧化碳,因此並不會增加大氣中的碳總量。

只要我們持續種植新樹,碳循環就能不斷延續,二氧化碳在不同型態間流轉,而不會大量增加溫室氣體在大氣中的總量。因為具備循環再生的特性,讓木材成為相對環保的資源。

但,為了木製品而砍伐森林,真的沒問題嗎?當然會有問題!

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從吸碳到固碳的循環

砍對樹,很重要

實際上,有不少木材來自於樹木豐富的熱帶雨林。然而,熱帶雨林是無數動植物的棲息地,它們承載著地球豐富的生物多樣性。當這些森林被非法砍伐,不僅生態系統遭到破壞,還有一個嚴重的問題–黃碳,也就是那些大量儲存在落葉與土壤有機質中的碳,會因為上方森林的消失重新將碳釋放進大氣之中。這些原本是森林的土地,將從固碳變成排碳大戶。

不論是黃碳問題,還是要確保雨林珍貴的生物多樣性不被影響,經營得當的人工永續林,能將對環境的影響降到最低,是紙漿和木材的理想來源。永續林的經營者通常需要注重環境保護與生態管理,確保砍下每顆樹木後,都有新的樹木接續成長。木材反覆在同一片土地上生成,因此不用再砍伐更多的原始林。在這樣的循環經營下,我們才能不必冒著破壞原始林的風險,繼續享用木製品。

人工永續林的經營者需要注重環境保護與生態管理,確保砍下每顆樹木後,都有新的樹木接續成長。

如何確保你手中的紙張來自永續林?

如果你擔心自己無意中購買了對環境不友善的商品,而不敢下手,只要認明FSC(森林管理委員會)認證與 PEFC(森林認證制度)認證標章,就能確保紙漿來源不是來自原始林。並且從森林到工廠、再到產品,流程都能被追蹤,為你把關每一張紙的生產過程合乎永續。

只要認明 FSC(森林管理委員會)認證與 PEFC(森林認證制度)認證標章,就能確保紙漿來源不是來自原始林。

家樂福「從 i 開始」:環境友善購物新選擇

不僅是紙張,家樂福自有品牌的產品都已經通過了環保認證,幫助消費者在日常生活中輕鬆實踐環保。選擇 FSC 與 PEFC 標章只是第一步,你還可以在購物時認明家樂福的「從 i 開始」價格牌,這代表商品在生產過程中已經符合多項國際認證永續發展標準。

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「從 i 開始」涵蓋十大環保行動,從營養飲食、無添加物、有機產品,到生態農業、動物福利、永續漁業、減少塑料與森林保育,讓你每一項購物選擇都能與環境保護密切相關。無論是買菜、買肉,還是日常生活用品,都能透過簡單的選擇,為地球盡一份力。

選擇 FSC 與 PEFC 標章只是第一步,你還可以在購物時認明家樂福的「從 i 開始」價格牌
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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
214 篇文章 ・ 312 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

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原來牙膏只是潔牙的配角?
衛生福利部食品藥物管理署_96
・2023/10/07 ・2009字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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本文轉載自食藥好文網

  • 文/陳儀珈、國立臺灣大學醫學院附設牙科醫院住院醫師郭宸輔 共同撰稿

明明都有乖乖刷牙,為甚麼我們還是會蛀牙?想要解答這個疑惑,必須了解蛀牙的原因和潔牙的原理。

當我們吃甜食,我們口腔內的細菌會將食物中的糖分轉換為酸,隨著酸性物質停留在牙齒表面,酸性物質會使得牙齒的礦物質流失,使琺瑯質「去礦化」進而造成蛀牙。所謂的牙菌斑,是細菌、食物殘渣、唾液⋯⋯等的集合體,為了避免蛀牙,我們就必須清除黏附在牙齒表面的牙菌斑。

由於牙菌斑會緊緊黏附在我們的牙齒上,無法光靠漱口來清除,也沒有辦法使用泡沫或藥劑將牙菌斑變不見,因此在清除牙菌斑的方法中,目前以「物理性清潔」為主,建議大家使用牙刷、牙線或牙間刷,才能儘量把牙菌斑從牙齒上面刷掉、刮掉。

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雖然牙膏並不是清除牙菌斑的主力,但也是關鍵的輔助角色,透過牙刷和牙膏的相輔相成,有助於減少蛀牙率。

牙膏如何成為最強輔助?

牙膏的主要成分包括研磨劑、氟化物以及甜味劑。

目前牙膏中常見的研磨劑包括「碳酸鈣」和「水合氧化鋁」,可以協助牙刷移除牙齒上的牙菌斑以及染色區域。需要注意的是,雖然現今被添加在牙膏中的研磨劑通常都很溫和,不太會傷害到琺瑯質,但刷牙力道仍然需要控制,儘量不要太大力刷牙。

其中,氟化物能夠將琺瑯質的主要成分「羥磷灰石」中的氫氧根離子 (OH) 替換為氟離子 (F) ,當氫氧根離子被替換為氟離子後,溶度積常數( Ksp 值)會降低,換句話說,就是讓琺瑯質更難被細菌產生的酸性物質酸蝕,進而達到預防蛀牙的效果。

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為了讓大家更願意刷牙,牙膏中也添加了甜味劑,使民眾對刷牙的接受度更高,同時也能在刷牙後有擁有一口清新的口氣。請大家別誤會,添加甜味劑並不代表牙膏被摻雜了糖,而是使用糖精、山梨糖醇、木糖醇來增加甜味。

除了上述主要成分外,有些牙膏使用不同添加物,以此達到各式各樣的功效,但基本的作用大同小異。例如,美白牙膏會添加過氧化物,藉由氧化還原牙齒表面來美白牙齒;加入如硝酸鉀等成分後,可以藉由改變鉀離子濃度或封閉牙本質小管來改善敏感狀況,成為市面上常見的抗敏感牙膏。

每天至少使用含氟牙膏兩次!

根據衛生福利部口腔健康司「成人口腔保健手冊(專業版)」指出,只要有進食就要刷牙,其中,睡前的潔牙尤為重要。

我們每天至少要使用含氟離子濃度 1000 ppm 以上的牙膏潔牙 2 次,且每次不得少於 2 分鐘。含氟牙膏的使用量少於豌豆的大小即可,約 0.25 g 左右。刷牙時,須搭配「貝氏刷牙法」的潔牙順序,將刷毛傾斜,使刷毛與牙齒表面呈現 45° ~ 60° ,深入牙齦溝,每一次清潔兩顆牙齒,左右來回清刷十次後,再換下兩顆牙齒。

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除了刷牙外,也建議使用牙線、牙間刷刮除牙縫沾黏的食物與牙菌斑。潔牙後避免漱口、喝水,維持口腔中氟離子的濃度,讓氟離子持續作用 30 分鐘以上。

此外,食藥署也提醒:選購一般牙膏時,記得選購標示完整的產品,不購買來路不明或標示不清的產品,使用時保留外包裝或說明書以便了解產品相關資訊。此外,以化粧品管理的一般牙膏如有添加含氟化合物,其氟總量不得超過 0.15% (1,500 ppm) ,且不具有醫療效能,不可治療牙周病等病症;若有嚴重口腔問題,應就醫治療。

參考資料

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衛生福利部食品藥物管理署_96
65 篇文章 ・ 23 位粉絲
衛生福利部食品藥物管理署依衛生福利部組織法第五條第二款規定成立,職司範疇包含食品、西藥、管制藥品、醫療器材、化粧品管理、政策及法規研擬等。 網站:http://www.fda.gov.tw/TC/index.aspx

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蛀牙懶人包——認識齲齒的發生及正確潔牙方式
careonline_96
・2022/08/09 ・3861字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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  • 文/國防醫學院牙醫學系黃耀慧臨床教授、高雄醫學大學口腔衛生學系何佩珊教授

一、識蛀牙

蛀牙的專業用語稱為齲齒。齲齒大部分看起來呈現黑色或深褐色,一開始的齲齒只在牙齒的表面,若沒有立即移除蛀蝕的齒質,進行齒質填補治療,細菌就會往牙齒深層侵犯。

一旦細菌穿過牙本質感染到牙髓腔(俗稱神經),變成牙髓炎或是牙髓壞死,此時就需要進行根管治療(俗稱抽神經),來解除疼痛和移除病灶。

二、牙齒的結構

一顆牙齒主要可分為牙冠和牙根兩大部份。在牙齦裡面的是牙根,而牙齦以上,一般肉眼可見的就是牙冠。牙冠是由牙釉質(又稱琺瑯質)、牙本質以及牙髓組成;牙根則是由牙骨質、牙本質以及牙髓組成;而牙齒表面可分為外側面、內側面、咬合面和鄰接面。

牙釉質(Enamel):主要由鈣和磷酸鹽組成,是人體最堅硬的組織。牙釉質也是進食時直接接觸食物的部份,幫助咬碎食物以及保護牙本質。牙釉質破損是無法自行修復,因此出現蛀洞(又稱窩洞)後就不能再生,只能靠日常護理及定期的口腔檢查,才能預防或治療。

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牙本質(Dentin):一般是偏黃色,會影響到牙齒外觀的顏色。牙本質內有許多微細管道連接著牙髓,因為有這些微細管道,外界的冷、熱、觸覺變化時,會出現疼痛或酸痛的感覺。

牙髓(Dental pulp):是牙齒的中腔部份,屬於軟組織,裡面滿佈血管和神經組織。牙髓可形成新的牙本質和維持牙齒生命,因裡面有痛覺神經,讓牙齒能感覺到物理、化學和細菌的刺激,過度的外來刺激會令牙髓發炎或壞死。

牙骨質(Cementum):位於牙根部的最外層,質地比牙本質稍軟,經由牙周韌帶使牙齒與牙床骨連結,因此被歸類為牙周組織的一部份。牙骨質無神經血管分佈,常常因為牙齦退縮而暴露口腔中。

三、為什麼會蛀牙?

當我們吃甜食、喝含糖飲料或吃醣類食物,如米飯、麵食、馬鈴薯、蕃薯等五穀根莖類;少量來自奶類的乳糖,水果及蔬菜中的果糖及其他醣類時,口腔細菌會分解其中的糖分而產生酸,這些酸會侵襲牙齒表面,造成礦物質(特別是鈣與磷酸鹽)流失,經過長時期的脫鈣過程,在牙齒會出現蛀洞,形成蛀牙。因此,影響蛀牙的四大因素包括:

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  1. 牙齒:特別是牙齒的結構、排列。
  2. 細菌:口腔中有好菌也有壞菌,容易形成蛀牙的細菌稱為「致齲菌」。致齲菌與正常菌種的比率、分佈會影響蛀牙形成。
  3. 食物:不是所有的食物都容易造成蛀牙,只有「可發酵性碳水化合物」才是致齲菌可以利用來產生酸性物質的食物。這些食物不只包括甜食、含糖飲料,還包括吐司、白米等。
  4. 時間:需要有足夠的時間,讓牙齒與來自致齲菌的酸性物質作用。

四、蛀牙的進程

放任齲齒不治療,最後的結果可能會造成殘留齒根或缺牙哦!

當我們吃甜食或喝含糖飲料時,口腔細菌會分解其中的糖分而產生酸。這些酸會造成牙釉質的礦物質(特別是鈣與磷酸鹽)流失,也就是「去礦物化」(簡稱「去礦化」),此階段的變化是不會有任何臨床症狀的。去礦化的初期可藉由氟化物的使用,加速口腔內再礦化的效率,使已經發生去礦化的牙釉質恢復原狀。

當去礦化現象持續發展,牙齒的礦物質流失嚴重時,就會使蛀洞(或稱「窩洞」)從牙釉質延伸到牙本質,此時只需要將窩洞填補即可。到了這個階段如果沒有適時處置、放任蛀牙繼續往深部發展時,細菌或毒素會侵蝕牙齒神經組織(或稱牙髓),造成牙齒神經感染、發炎,甚至壞死,此時則需要進行根管治療。

若持續放任蛀牙發展,除了使牙齒內部神經受損外,連牙齒的牙冠結構也逐漸崩壞、瓦解,最後只剩下牙齦底下的牙根結構,即所謂的「殘留齒根」,此時則需要拔牙或製作假牙。

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當牙齒神經組織壞死、產生膿腫,或是蛀蝕到只剩下「殘留齒根」時,出現在這些部位的細菌毒素可能會擴展到牙齒根部外的周邊組織,形成「蜂窩性組織炎」,更甚者會順著血液的流動而擴及全身,此時就必須藥物治療或住院了。

五、有效預防蛀牙的方法

(一)減少含糖飲食

當我們吃甜食、喝含糖飲料或吃醣類食物,如米飯、麵食、馬鈴薯、蕃薯等五穀雜糧類;少量來自奶類的乳糖,水果及蔬菜中的果糖及其他醣類時,容易被細菌利用產生酸性物質,因此減少含糖飲食的攝取量及頻率,可以有效降低蛀牙。儘量以開水取代飲料,甜食儘量在三餐飯後吃,吃完了就去刷牙。

(二)確實做好潔牙

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每天都要以 1,000ppm 以上的含氟牙膏刷牙,至少 2 次,尤其是睡前的那次最重要。另外,每天至少要以牙線清潔牙齒鄰接面 1 次。

(三)使用氟化物

適當使用氟化物,像是使用含氟牙膏、含氟漱口水、氟碘鹽或是塗氟,可提升牙齒再礦化能力。經過再礦化的牙齒可以提升對酸性物質侵蝕的抵抗力,還可以加速修復因酸性物質產生的去礦化現象,同時氟化物還具有干擾致齲菌新陳代謝與產酸能力的作用。

(四)定期口腔檢查

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即使沒有牙痛或不舒服症狀,也要定期檢查,因為初期的蛀牙是不會有疼痛感,通常自己無法察覺,而且越初期的蛀牙,治療的方式越不具侵入性,造成痛苦的經驗越低。

六、正確刷牙方式

建議成人以貝式刷牙法(Bass method)或改良式貝氏刷牙法來進行潔牙,一方面可達到適度按摩牙齦,同時確實清潔牙齦溝,達到預防牙周疾病的效果。潔牙頻率:一天至少二次,睡前一次是必須的,另一次可依個人狀況安排。

  • 貝式刷牙法的重點
  1. 刷毛朝牙根尖並涵蓋一點牙齦
  2. 刷毛與牙齒表面呈 45 度角
  3. 刷牙時兩顆兩顆來回震動約十次
  4. 刷咬合面時,不需要求刷毛角度,前後來回刷動數次即可
  5. 刷前牙內側時,可將牙刷刷頭擺直一顆一顆刷

七、正確使用牙線

牙齒的鄰接面主要靠牙線清潔,使用牙線的方法有兩種:分別是手指捲線操作法(Spool method)與環形操作法(Loop method)。

(一)手指捲線操作法

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取牙線長約 45 公分(約大拇指到手肘處長度),牙線二端分別纏繞在雙手的中指上,前牙清潔操作利用大拇指和食指,而後牙則是利用雙手的食指來操作。

二手手指以前後(前牙) 或左右(後牙)拉動,使繃緊的牙線切入越過牙間接觸點後,將牙線輕靠一側牙面從牙龈最低處向咬合面,上下滑動最少 5 次來回,以清除牙面上的牙菌斑。結束後再清潔另一側的牙面。

(二)環形操作法

將牙線前後二端對疊打結三次,連成一大牙線圈。再以上述方法來清潔牙齒。清潔過程中可以變換使用牙線圈不同的位置,以避免重覆使用不潔線段。以環形操作法較簡單,且可改善手指捲線時,雙手中指被牙線緊纏不舒服的感覺。

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八、其他潔牙輔助工具

(一)牙線棒

大專學生原則上建議以牙線清潔牙齒的鄰接面,當無法使用牙線時,可以牙線棒替代,但是牙線棒上有食物殘渣或牙菌斑時,就要更換,不可一支用到底,否則容易把細菌帶到另一個牙齒鄰接面。如果牙線棒使用不當時,容易造成施力過大而傷害牙齦。

(二)牙間刷

當較大的牙縫、牙齦嚴重萎縮或是在牙齒矯治期間牙齒表面有矯正器時,才須使用牙間刷進行清潔,原則上還是建議以牙線清潔為主。

(三)牙線穿引器

牙線穿引器是一種牙線的輔助工具,由稍硬一點的尼龍材質製造的水滴狀穿引器,可以將牙線穿引到牙橋的下方和臼齒牙根的分叉處。在製作固定牙橋假牙和牙周病治療後使用。

  • 指導單位:教育部
  • 執行單位:國立臺灣師範大學、照護線上
  • 諮詢專家:國防醫學院牙醫學系黃耀慧臨床教授、高雄醫學大學口腔衛生學系何佩珊教授
  • 諮詢單位:衛生福利部、社團法人中華民國牙醫師公會全國聯合會、台灣口腔衛生科學學會
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